우주 배경의 콜드 스팟(Cold spot), 표준 모델이 잘못 됐을까

문광주 기자 / 기사승인 : 2022-01-21 17:27:25
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- 우주 마이크로파 배경에 있는 불가사의한 냉점에 대해 가능한 설명 조사
- 마이크로파 배경에는 우주론적 그림과 맞지 않는 한 지점, 바로 차가운 지점 있어
- 이 우주적 변칙성은 표준 우주론적 모델이 제시하는 것보다 훨씬 더 크고 뚜렷
- 광자가 먼 우주에서 우리에게 오는 도중에 밀도가 다른 영역을 통과할 때 발생

"콜드 스팟"의 미스터리는 남아있다
빈 공간은 우주 배경의 변칙적인 냉점을 부분적으로만 설명할 수 있다.


불가사의한 변칙성:
천문학자들이 우주 마이크로파 배경에 있는 불가사의한 냉점에 대해 가능한 설명을 조사했지만, 그들조차도 미스터리를 완전히 풀 수는 없었다. 앞에 있는 거대한 빈자리가 감지된 비정상인 현상의 일부 원인이다. 질량 부족으로 중력이 더 낮기 때문에 배경 복사의 빛이 덜 늘어난다. 그러나 그것만으로는 충분하지 않다. 

▲ 콜드 스팟은 우주 마이크로파 배경에서 비정상적으로 차가운 영역이다. 그 원인은 여전히 ​​미스터리다.

© ESA Planck Collaboration


모든 우주는 우주 배경 복사(빅뱅 이후 38만 년 전으로 거슬러 올라가는 유비쿼터스 마이크로파 복사)에 의해 침투돼 있다. 이 복사의 온도 변동은 초기 우주의 에너지와 질량 분포의 미묘한 차이를 반영한다. 덧붙여 암흑 물질과 암흑 에너지의 비율과 우주의 팽창 속도에 대한 결론을 내릴 수 있다.

콜드 스팟은 퍼즐
그러나 마이크로파 배경에는 우주론적 그림과 맞지 않는 한 지점이 있다.
바로 차가운 지점이다. 10도 이상 확장되는 이 구역은 나머지 배경보다 평균 약 70밀리켈빈 더 차갑다. 따라서 그것은 배경 복사의 현재 지도에서 하늘의 남반구에서 뚜렷한 파란색 영역으로 나타난다. 이 우주적 변칙성은 표준 우주론적 모델이 제시하는 것보다 훨씬 더 크고 뚜렷하다.

원인은 무엇일까? 현재까지는 명확한 답이 없다.
측정 오류 및 은하수 구조의 간섭 효과와 같은 일부 가설은 이미 크게 반박되었다. 초기 우주에서 아직 인식되지 않은 과정이나 평행 우주의 서명과 같은 이국적인 현상을 포함한 다른 것들은 열려 있다. 

▲ 이 섹션은 배경 복사의 플랑크 맵에서 콜드 스팟을 보여주고 나머지는 이 영역의 암흑 물질 분포를 보여준다.

© Gergö Kránicz 및 András Kovács


원시 광자와 Sachs-Wolfe 효과
"우주 전경에서 가능한 물리적 과정이 마이크로파 배경에서 그러한 지점을 생성할 수 있다는 활발한 토론도 있다"고 Dark Energy Survey 공동 작업의 안드라스 코바츠스(András Kovács)와 그의 동료들이 설명했다. 이러한 효과 중 하나는 이른바 ISW(Integrated Sachs-Wolfe Effect)이다. 이것은 광자가 먼 우주에서 우리에게 오는 도중에 더 낮거나 더 높은 물질 밀도 영역을 통과할 때 발생한다.

아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면 물질은 중력을 통해 빛의 거동에도 영향을 미친다. 광자가 중력이 증가된 영역을 통과할 때 파장이 늘어나고 빨간색으로 이동한다. 그러나 거대한 규모에서는 공간의 확장도 작용한다. 이는 은하와 기타 물질이 분리되고 결과적으로 중력 흡수원이 평평해지는 것을 보장한다.

이제 광자가 비행에 수백만 년이 걸릴 정도로 큰 영역을 가로지르면 불균형이 발생한다.
중력 흡수원에 들어갈 경우 나올 때보다 나갈 때 더 깊어진다. 공동 저자인 마드리드 대학의 후안 가르시아-벨리도(Juan Garcia-Bellido)는 "결과적으로 가벼운 입자는 이동하는 동안 에너지의 순 손실을 경험하는데, 이를 통합 삭스-울프 효과(integrated Sachs-Wolfe effect)라고 한다"고 설명했다.

원인은 빈 공간?
냉점의 경우 이는 우주 배경 복사의 광자가 특히 희소 물질이 있는 지역을 통과해 우리에게 오는 경우 냉각에 기여하고 이상 현상을 일으킬 수 있음을 의미한다. 이것이 천문학자들이 일찍이 2015년부터 한랭점인 에리다누스 수퍼보이드(Eridanus Supervoid) 앞의 빈 구역이 원인일 수 있다고 의심한 이유 중 하나다.

문제는 다음과 같다. "후속 연구에 따르면 Eridanus Supervoid는 관측된 냉각의 약 20~30%만 설명할 수 있다. 최소한 우주 표준 모델에서 시작한다면"이라고 연구팀은 말했다. 그러나 우주에서 이 거대한 공허의 정확한 범위, 모양 및 밀도는 지금까지 논쟁의 여지가 남아 있다.

따라서 Kovács와 그의 동료들은 Eridanus Supervoid와 가능한 ISW 효과를 재 측정했다.
이를 위해 그들은 우주 구조와 질량 측정을 전문으로 하는 광학 기기인 다크 에너지 카메라의 데이터를 평가했다. 이 데이터로부터 그들은 콜드 스폿 영역과 그 앞의 빈 영역의 질량 분포 맵을 만들었다.

알려진 우주에서 가장 큰 변칙
"Eridanus Supervoid(수퍼보이드; 매우 큰 우주의 빈 곳)는 관측 가능한 전체 우주에서 알려진 가장 큰 얇아진 영역 중 하나"라고 천문학자들은 보고했다. 암흑 에너지 조사의 지도 작성 영역 전체에서 이만큼 크거나 뚜렷한 빈 영역은 없다. 시가 모양의 수퍼보이드(Supervoid)는 18억 광년에 걸쳐 있으며 지구에서 약 20억 광년 떨어져 있다. 그 안의 물질 밀도는 주변 우주보다 약 30% 낮다.

그러나 결정적인 요소는 수퍼보이드가 우주의 이 영역에서 중력과 ISW 효과에 측정 가능한 영향을 미친다는 것이다. 새로운 데이터에 따르면 Eridanus Supervoid가 배경 복사에 미치는 영향은 이전에 생각했던 것보다 더 강력하다. 그러나 동시에 천문학자들이 보고한 바와 같이 일반적인 모델에서 크게 벗어나 있다. 표준 우주론 모델에 기반한 시뮬레이션에서 그들은 약 30%의 편차를 제시했다.

표준 모델이 잘못된 것인가?
천문학자들은 이에 대해 두 가지 가능한 설명을 본다.
현재의 람다 CDM 우주론 모델이 맞다면 Eridanus Supervoid만으로는 콜드 스팟을 설명하기에 충분하지 않다. 그러면 배경 복사 자체와 초기 우주의 과정이 최소한 이 이상 현상에 기여해야 할 것이다.

두 번째 가능성은 표준 모델이 불완전하고 슈퍼 보이드가 의도한 것보다 더 강한 ISW 효과를 일으킬 수 있다는 것이다. 이것의 이면에는 아직 인식되지 않은 암흑 에너지의 더 강력한 효과가 있으며 따라서 더 빠른 우주 팽창이 있을 수 있다. "그러나 문제는 대안 모델도 이러한 불일치를 설명할 수 없다는 것이다"고 Kovács는 말한다. "이 효과가 정말로 현실적이라면 우리가 아직 암흑 에너지에 대한 근본적인 것을 이해하지 못하고 있다는 의미일 수 있다."
즉, 콜드 스팟과 그 가능한 원인은 계속 새로운 질문을 제기한다. 연구팀은 "우주 배경에 대한 상부구조의 영향은 우주론에서 여전히 흥미롭고 풀리지 않은 문제로 남아있다"고 결론지었다.
(Monthly Notices of the Astronomical Society, 2022; doi: 10.1093/mnras/stab3309)
출처: Fermi National Accelerator Laboratory / 페르미 국립 가속기 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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