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정상 물질과 암흑 물질은 우주 모델이 제안하는 것보다 더 균질하게 분포되어 있다.

우주: 물질의 분포는 이론에 맞지 않는다.
정상 물질과 암흑 물질은 우주 모델이 제안하는 것보다 더 균질하게 분포되어 있다.

완고한 불일치: 

천문학자들은 두 가지 다른 측정 방법의 데이터를 결합하여 우주 물질 분포에 대한 가장 정확한 지도를 만들었다. 이것은 다시 현재의 우주론 모델과의 불일치를 드러낸다. 결과적으로 오늘날의 일반 및 암흑 물질은 알려진 물리적 진화 과정을 기반으로 해야 하는 것보다 덜 "덩어리"하다고 팀은 보고했다. 이는 표준 모델의 차이를 나타낼 수 있다. 

▲ 물질의 우주적 분포에 대한 새로운 매핑은 현재의 우주론 모델과의 편차를 다시 보여준다. © Andreas Papadopoulos

오늘날 우주의 물질 분포는 은하단, 거대한 "보이드" 및 길쭉한 필라멘트와 같은 대규모 구조로 특징지어진다. 천문학자들은 이러한 거대한 구조가 우주 초기에 복사와 물질의 요동에서 생겨난 것으로 의심하고 있다. 이론에 따르면 이러한 밀도 변동은 우주 팽창에 의해 증폭되어 오늘날의 물질 분포를 생성했다.

그러나 최근 몇 년 동안 매핑으로 물질 분포의 불일치를 반복적으로 발견했다. 초기 우주의 요동(우주 배경 복사에서 읽을 수 있음)과 비교할 때 정상 물질과 암흑 물질은 오늘날 너무 균일하게 분포되어 있는 것 같다. 불일치는 무엇보다도 소위 S8 매개변수에서 볼 수 있다. 이 전단 계수는 주어진 평균 밀도에서 물질의 밀도가 얼마나 변하는지를 나타낸다.

두 가지 측정 방법 결합

이러한 불일치가 특정 망원경과 측정 방법의 특성 때문이라는 것을 배제하기 위해 천문학자들은 이제 두 개의 대규모 하늘 조사에서 얻은 데이터를 결합하기 위해 팀을 구성했다. 첫 번째는 6년 동안 아타카마 사막에서 망원경을 사용하여 광학 및 근적외선으로 하늘을 매핑한 암흑 에너지 조사(DES)다. 두 번째 데이터 세트는 남극에 있는 전파 망원경인 남극 망원경에서 가져온 것이다.

하이라이트:
두 망원경의 데이터는 보이는 물질과 보이지 않는 물질이 우주에 어떻게 분포되어 있는지를 서로 다른 방식으로 보여준다. Dark Energy Survey는 전경 물체가 먼 은하에서 오는 빛에 미치는 약한 중력 렌즈 효과를 사용하여 이를 조사한다. 반면에 남극에 있는 전파 망원경은 그러한 중력 렌즈가 우주 배경 복사를 왜곡시키는 방법을 결정한다. 이것은 또한 다른 시간에 물질의 분포를 드러낸다.

처음으로 과학자들은 두 가지 방법으로 만든 지도를 전체 그림으로 결합했다. “이러한 데이터 조합은 교차 일치와 같다. 측정 결과는 한 가지 방법만 사용하는 것보다 훨씬 더 견고하고 정확하다”고 공동 저자인 Chihway Chang은 설명했다.

▲ 매핑을 위해 암흑 에너지 조사(왼쪽)와 남극 망원경의 물질 분포 데이터를 결합했다. © Yuuki Omori

불일치가 지속됨

그 결과 지금까지 우주 물질 분포에 대한 가장 정확한 지도가 탄생했다. "은하 위치, 은하에 대한 중력 렌즈 효과, 우주 마이크로파 배경에 대한 렌즈 효과 사이의 상관관계에 대한 결합 분석은 우리에게 우주의 대규모 구조에 대한 강력한 벤치마크를 제공한다"고 시카고 대학의 Yuuki Yomori 팀은 말했다.

그러나 이 새로운 매핑은 불일치를 확인했다. 천문학자들은 오늘날 물질 분포의 S8 매개 변수에 대해 0.736에서 0.74의 값을 결정했다. 따라서 그들은 이러한 유형의 초기 측정 범위에 있으며 초기 우주에 대해 플랑크 위성이 측정한 값보다 훨씬 낮다. "따라서 우리는 표준 우주 모델을 기반으로 예측할 수 있는 것보다 현재 우주에서 더 적은 변동을 발견했다"고 공동 저자인 하와이 대학의 Eric Baxter는 설명했다.

우주론적 모델이 불완전한가?

즉, 오늘날의 우주에서 일반 물질과 암흑 물질은 현재 차가운 암흑 물질(ΛCDM)의 우주론적 모델에 따라 있어야 하는 것보다 더 균질하게 분포되어 있다. 이것이 최초의 밀도 요동에서 현재까지의 우주 발전을 재구성하는 데 적용된다면, 그 결과는 명백하게 이질적으로 분포된 일반 물질과 암흑 물질의 큰 구조다.

과학자들에 따르면 이러한 지속적인 불일치는 현재의 우주론 모델이 불완전하다는 것을 나타낼 수 있다. 우주에서, 또는 아마도 우주 발전의 특정 단계에서만 일반적인 과정과 힘으로 설명할 수 없는 물리적 영향이 작용한 것 같다. 이것은 또한 우주 팽창 속도, 즉 우리 우주가 팽창하는 속도에 유사한 불일치가 있는 이유를 설명할 수 있다.
(Physical Review D, 2023; doi: 10.1103/PhysRevD.107.023529, doi: 10.1103/PhysRevD.107.023530, doi: 10.1103/PhysRevD.107.023531)
출처: University of Chicago

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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