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[열린세상] 우주 표준모형 결함 드러낸 새 관측 결과/조현욱 과학과 소통 대표

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▲ 조현욱 과학과 소통 대표

우주의 실제 팽창 속도가 기존의 이론 모델로 계산한 값보다 상당히 빠른 것으로 다시 한번 확인됐다. 지난 2월 천체물리학저널레터에 미국국립전파천문대가 이끄는 연구팀이 발표한 내용이다. 기존과는 전혀 다른 방식으로 측정했다는 사실에 의미가 있다. 연구팀의 제임스 브라츠 박사는 다음과 같이 말했다. “우리는 다른 은하들이 표준 우주론 모델에서 제시하는 것보다 더욱 가깝다는 사실을 알아냈다. 이것이 측정의 문제인지 모델의 문제인지 토론했다. 결론은 표준모형에 결함이 있을 가능성이 매우 높다(likely)는 것이다.”

우주 팽창 속도에 관한 이론과 관측의 불일치는 오랫동안 문제가 돼 왔다. 이를 두고 연구자들은 이론이 틀렸는지, 관측에 오류가 있는지를 두고 부심해 왔다. 이번 논문은 관측 쪽 손을 들어 준 것이다.

우주의 기원에 대한 빅뱅 이론에 따르면 우주는 137억년 전 하나의 특이점에서 시작해 급속도로 팽창했다. 현재 크기는 지구를 중심으로 본다면 반지름 480억 광년 정도다. 그 바깥은 빛보다 빠른 속도로 팽창 중이다.

우주는 계속 커지고 있으며 그 속도는 먼 곳에 있는 은하일수록 더욱 크다. 기존의 이론은 우주배경복사에 대한 플랑크 위성의 측정값을 바탕으로 팽창 속도를 제시한다. 우주배경복사란 빅뱅 38만년 후에 퍼져나간 빛, 즉 전자기파가 우주의 모든 곳에 균일하게 퍼져 있는 것을 말한다. 팽창 속도는 거리 326만 광년(1메가파섹)당 초속 67.4㎞다. 이를 ‘허블상수’라고 부른다.

우주에서의 거리는 어떻게 측정하는가. 대표적인 것이 밝기가 일정한 표준 촛불, 그중에서도 초신성을 이용하는 방법이다. 초신성이란 수명이 다한 별이 마지막 단계에서 태양의 수백만 배에 해당하는 에너지를 일시에 내뿜으며 폭발하는 현상을 말한다. 그중에서도 특정한 유형(1a형)은 밝기가 일정하므로 빛이 어두워진 정도를 보면 얼마나 멀리 떨어져 있는지를 알 수 있다. 일정한 주기로 밝기가 달라지는 세페이드 변광성도 표준 촛불로 사용된다.

또 다른 방법은 멀리 있는 퀘이사를 이용하는 것이다. 퀘이사란 강력한 전자파를 발산하는 활동은하의 중심 핵을 말한다. 그 빛이 우리 앞에 있는 다른 은하 주위를 통과하면서 중력에 이끌려 휘어지는 정도를 측정한다.

표준 촛불과 퀘이사의 중력렌즈 효과로 측정한 기존의 허블상수는 73~74였다. 이번의 새로운 관측에서 얻은 허블상수는 이 범위 내인 73.9다. 이론 모델과는 초속 7㎞ 이상의 차이가 난다.

이번 프로젝트는 은하 중심부의 초거대질량 블랙홀 주변을 회전하는 가스 원반에 초점을 맞췄다. 원반이 지구에서 볼 때 수평에 가깝게 누워 있을 경우 라디오파(마이크로파)가 분출되는 밝은 구역들을 관측할 수 있다. 이를 통해 원반의 물리적 크기와 기울어진 정도를 파악할 수 있다. 그러면 기하학적으로 거리를 결정할 수 있다. 프로젝트팀은 전 세계의 전파 망원경을 동원했다. 대상은 1억 6800만~4억 3100만 광년 거리의 은하 4개다. 기존에 측정된 은하 두 개의 거리도 계산에 포함했다.

우주의 구성과 진화를 다루는 현재의 표준모델은 ‘람다 차가운 암흑 물질’(Lambda CDM)이라 불린다. 람다란 우주를 점점 더 빨리 팽창시키는 암흑 에너지를 나타내는 ‘우주 상수’다. 여기서 암흑이란 ‘어둡다’가 아니라 ‘모른다’는 뜻이다. 이 모델에 따르면 우주는 보통 물질(약 4%), 암흑 물질(약 23%), 암흑 에너지(약 73%)로 구성돼 있다. 암흑 물질이란 중력 이외의 다른 힘과는 상호작용하지 않아서 관측이 되지 않는 ‘어두운’ 물질을 말한다.

연구자들은 모델의 결함을 관측에 맞게 보정하는 방법들을 검토 중이다. 아인슈타인의 우주상수에서 벗어나 암흑 에너지의 성질에 대한 가정을 바꾸자는 발상도 있다. 또한 입자물리학에서 중성미자의 숫자나 유형, 상호작용에 변경을 가하는 방법도 검토 중이다. 중성미자란 전기를 띠지 않은(중성) 미세한 입자(미자)를 말한다. 이보다 이상한 방법도 연구되고 있다. 어느 쪽이 나은 방법인지를 판별할 방법은 아직 없다. 우리가 알고 있는 우주는 4%의 보통 물질뿐이다.

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