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새로운 측정 KiDS조사, 표준모델과 8% 편차 발생.
중력렌즈를 통해 향후 편차 재확인 필요.

우주는 예상보다 균질하다
물질 분포를 측정하면 표준 모델에서 8%의 편차가 발생한다.

새로운 측정에 의하면 우주에 있는 물질은 예상보다 더 고르게 분포돼 있을 수 있다.
연구결과 표준 우주모델 및 배경 방사선 측정치보다 8% 더 균질하다.
천문학자들은 "표준 모델을 넘어서는 ‘새로운 물리학’을 나타낼 수 있지만 체계적인 오류이기도 하다. 추가 측정으로 답을 찾아야 한다"고 했다.

▲ 새로운 매핑은 표준 모델이 예측한 것보다 우주가 균질하다는 것을 보여준다. © B. Giblin, K. Kuijken 및 KiDS 팀 / U. Sesse

은하, 암흑 물질 또는 거대한 빈 공간인가?
오늘날 우주에서 물질의 분포는 미세한 밀도 변동으로 초기 우주로 되돌아 가고 있다.

우주적 확장으로 물질분포가 강화되고 확대됐다. 우주 물질 분포가 균질한지 아닌지는 우주 표준 모델에 의해 설명된다. 그러나 이러한 예측을 확인하는 것은 쉽지 않다.

최근 몇 년 동안 점점 더 모순이 발생했다.

신비한 편차

확장과 마찬가지로 물질 분포에 대한 값은 오늘날 측정하느냐 혹은 초기 우주에서 측정하느냐에 따라 상당히 다르다. 범위의 한쪽 끝에는 우주 배경 방사선에서 보존되는 밀도 변동이 있다. 이 변동은 무엇보다도 플랑크(Plank)-위성의 측정으로 결정되었다.

다른 극단은 중력 렌즈 효과에 기초한 오늘날의 우주에서의 물질 분포 측정이다.
전면에서 질량의 중력은 먼 은하의 빛에 미묘한 왜곡을 일으킨다.
이 우주적 전단(shear, 剪斷)의 범위는 이 영역에서 가시 및 암흑 물질의 밀도와 분포에 대한 결론을 도출할 수 있게 한다.

그러나 몇 년 전 이러한 전단 측정결과 플랑크 값과 일치 하지 않는다는 것이 드러났다.
암흑 물질은 배경 방사선의 밀도 변동 이후보다 더 균일하게 분포되었다.

▲ KiDS지도의 일부를 확대하여 약 1.5 x 10 억 광년의 우주 패치를 보여준다. 이 가색상에서 우주의 고밀도 영역은 노란색으로 표시되고 저밀도 영역은 분홍색으로 표시된다. 회색 사각형은 개별 KiDS 이미지의 크기를 나타내며, 보름달로 표시된다. KiDS 맵은 1000 개가 넘는 이미지를 구성한다. Credit: B.Giblin, K.Kuijken and the KiDS team.

예상보다 8.3% 더 균질하다.

이 편차는 최근 새로운 측정으로 확인됐다.
KiLO-Dgree Survey* 조사의 일환으로 천문학자들은 칠레의 VLT(Very Large Telescope)를 사용해 3천 1 백만 개의 은하에 대한 전단 효과를 연구했다.

이 조사는 은하계 하늘의 5%를 차지하며 최대 100억 광년까지 확장된다.

이 샘플에는 청소년 시기 은하도 포함된다.

결과 :
기본 물질 밀도 측면에서 새로운 데이터는 플랑크 측정값과 일치하지만 전단값 S8(소위 매개변수)은 그렇지 않았다. 이는 물질 밀도가 특정 평균 밀도에서 얼마나 강하게 변동하는지를 나타낸다.
Kilo-Degree Survey의 S8 값은 플랑크 값보다 0.766-8.3 % 낮다.
현재 측정에 따르면, 물질은 표준 모델과 플랑크 데이터에 따른 것보다 거의 10% 더 균일하게 분포되어 있다.
*KiDS(Kilo-Degree Survey)는 오늘날의 우주론과 은하 형성에 관한 가장 근본적인 문제 중 일부를 해결하기 위해 설계된 남부 하늘의 대형 광학 이미징 조사이다.

암흑 에너지가 강해질까?

이것은 배경 방사선에서 파생된 값으로 불일치를 심화시킨다.
보쿰 Ruhr University에서 공동 저자 헨드릭 힐데브란트(Hendrik Hildebrandt)는 다음과 같이 설명했다. "우리 또는 다른 연구 컨소시엄 중 하나가 데이터 분석에서 체계적인 실수를 했거나 표준 우주 모형 모델에 문제가 있다."

실제로 편차를 설명할 수 있는 대체 이론이 있다.
이 모델에서 아인슈타인의 우주 상수는 일정하지 않지만 시간이 지남에 따라 변하다.
예를 들어, 우주 초기부터 암흑 에너지의 팽창력이 증가하거나 밀도가 증가한 경우가 여기에 해당한다. 천문학자들은 2019년 먼 퀘이사를 측정할 때 첫 번째 증거를 발견했다.

힐데브란트는 우주론의 표준 모델을 거부하기에는 아직 이르다고 말한다.
통계적으로 KiDS 조사에서 설정된 데이터가 플랑크 데이터와 겹칠 가능성은 약 1%이다.

▲ 중력 렌즈효과 시뮬레이션: 블랙홀에 의한 렌즈. 배경 은하계를 지나는 검은껍질 블랙홀로 인한 중력 렌즈의 뮬레이션. 은하의 2 차 이미지는 은하와 반대 방향의 블랙홀 아인슈타인 고리내에서 볼 수 있다. 1차 이미지가 블랙홀에 접근함에 따라 2차 이미지가 커진다 (아인슈타인 링 내에 남아 있음). 두 이미지의 표면 밝기는 일정하게 유지되지만 각도 크기는 다양하므로 먼 관측자에서 볼 때 은하 광도의 증폭이 발생한다. 최대 증폭은 배경 은하 (또는이 경우 밝은 부분)가 블랙홀 바로 뒤에있을 때 발생한다.

 

앞으로 세 가지 측정을 통해 퍼즐을 해결할 수 있다.

향후 몇 년에 편차가 발생할지 또는 이 측정치를 다시 확인할지 알 수 있을 것이다.
한편, Kilo-Degree Survey의 최종지도는 현재 데이터보다 30% 더 큰 하늘 구간을 포함하여 1-2년 후에 사용할 수 있다. 또한 가까운 미래에 중력 렌즈를 통해 우주 전단을 측정하는 두 가지 측정, 즉 ESA의 Euclid 위성과 칠레의 루비 망원경이 측정한다.

"이 관측소들은 전체 하늘에 대한 첫 번째 약한 렌즈 측량을 수행할 것이며 심도 및 공간 해상도 측면에서 서로 보완할 것"이라고 Kilo-Degree 프로젝트의 연구원들이 설명했다.
세 가지 조사의 결과는 표준 우주론 모델이 올바른지 또는 우주가 아인슈타인과 그의 후계자들과 다르게 행동하는지 여부를 보여줄 수 있다. 힐데브란트는 “한 가지는 분명하다. 우리는 긴장된 시대에 살고 있다”고 말했다.
(Astronomy and Astrophysics, Preprints)

출처 : Ruhr University Bochum 

[더사이언스플러스] "Green soul, Beautiful Science" 

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