우주가 팽창하고 있다는 사실이 과학적 사실로 발견된 이래로 어떻게 팽창하는지에 대한 수수께끼를 풀고자 하는 과학자는 지금까지 큰 노력을 기울여 왔다. 그리고 최근 우주에서 가장 큰 미스터리 중 하나인 암흑에너지가 실제로 존재하지 않는다는 연구가 발표되어 눈길을 끌고 있다.

지난 100년 동안 물리학자들은 일반적으로 우주가 모든 방향으로 동등하게 성장하고 있다고 가정했다. 과학자들은 이해할 수 없고, 알려지지 않은 물리학을 설명하기 위해 암흑에너지라는 개념을 우주의 빈자리를 메꾸는 임시적 표현으로 사용했지만, 이 논란의 여지가 있는 이론은 항상 문제가 있었다.

뉴질랜드 크라이스트처치에 있는 캔터베리 대학의 물리학자와 천문학자 팀이 초신성 광도 곡선에 대한 개선된 분석을 사용하여 우주가 더 다양하고 '울퉁불퉁한' 방식으로 확장되고 있다는 것을 보여줌으로써 지금까지의 우주 팽창 이론에 도전하고 있다.

새로운 증거는 우주의 확장에 대한 "시간경관" 모델을 뒷받침하는데, 이 모델은 암흑에너지가 필요하지 않다. 왜냐하면 빛의 늘어짐에 따른 차이가 우주의 가속으로 인한 결과가 아니라 우리가 시간과 거리를 어떻게 조정하는지에 따른 결과이기 때문이다.

중력이 시간을 늦추므로, 빈 공간의 이상적인 시계는 은하계 내부에서보다 더 빨리 움직인다는 점을 고려한다. 이 모델은 은하수의 시계가 큰 우주 공허의 평균 위치에 있는 동일한 시계보다 약 35% 더 느릴 것이라고 제안하는데, 이는 공허에서 수십억 년이 더 지났다는 것을 의미한다. 이는 다시 말해 공간의 확장을 더 많이 허용하여, 이처럼 광대한 공허가 우주를 지배할 때 확장이 더 빨라지는 것처럼 보이게 한다.

연구를 이끈 데이비드 윌트셔 교수는 “우리의 연구 결과에 따르면 우주가 가속적으로 확장되는 것처럼 보이는 이유를 설명하는 데 암흑에너지가 필요하지 않다는 것을 보여줍니다. 암흑에너지는 팽창의 운동 에너지 변화를 잘못 식별한 것이며, 우리가 실제로 살고 있는 울퉁불퉁한 우주에서는 균일하지 않습니다. 이 연구는 확장되는 우주의 특이한 특성을 둘러싼 핵심 질문 중 일부를 해결할 수 있는 설득력 있는 증거를 제공합니다. 새로운 데이터로 우주의 가장 큰 미스터리는 10년 안에 해결될 수 있을 것입니다.”라고 말했다. 새로운 분석 내용은 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters 저널에 게재되었다.

암흑에너지는 일반적으로 물질과 독립적으로 작용하는 약한 반중력으로 여겨지며, 우주의 질량-에너지 밀도의 약 2/3를 차지한다. 우주의 표준 람다 콜드 다크 매터(ΛCDM) 모형에서는 우주의 팽창 속도가 관측된 가속 현상을 설명하기 위해 암흑에너지가 필요하다.

과학자들은 먼 은하에서 초신성 폭발까지의 거리를 측정한 결과에 근거해 이러한 결론을 내렸는데, 만약 우주의 팽창이 가속화되지 않았다면 이 은하들은 실제 거리보다 훨씬 멀리 떨어져 있는 것으로 보인다. 그러나 우주의 현재 팽창 속도는 새로운 관측 결과에 의해 점점 더 의심받고 있다.

첫째, 빅뱅의 잔광에서 나온 증거인 우주 마이크로파 배경(CMB)은 초기 우주의 팽창이 현재의 팽창과 맞지 않는다는 것을 보여주는데, 이러한 이상 현상은 "허블 텐서"라고 부른다. 또한, DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument)가 새로운 고정밀 데이터를 최근 분석한 결과, ΛCDM 모델은 암흑 에너지가 일정하게 유지되는 것이 아니라 시간이 지남에 따라 '진화'하는 모델에는 잘 맞지 않는 것으로 나타났다. 허블 장력과 DESI가 밝혀낸 놀라운 사실은 모두 100년 된 단순화된 우주 팽창 법칙인 프리드만 방정식을 사용하는 모델에서는 해결하기 어렵다.

이것은 평균적으로 우주가 균일하게 확장된다고 가정한다. 마치 모든 우주 구조를 블렌더에 넣어 특징 없는 수프를 만들 수 있고 구조가 복잡하지 않은 것처럼 말이다. 그러나 현재 우주는 실제로 상상할 수 없을 정도의 방대한 빈 공허함으로 둘러싸여 있고, 엮어 놓은 시트와 필라멘트로 된 복잡한 우주적 은하계 망을 포함한다.

윌트셔 교수는 이렇게 덧붙였다. “우리는 이제 엄청난 양의 데이터를 보유하고 있어서 21세기에 이르러서야 '복잡성으로부터 간단한 평균 팽창 법칙이 어떻게, 그리고 왜 나오는가?'라는 질문에 마침내 답할 수 있게 되었습니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론과 일치하는 간단한 팽창 법칙은 프리드만 방정식을 따를 필요가 없습니다.”

연구자들은 2023년 7월에 발사된 유럽 우주국의 유클리드 위성이 프리드만 방정식과 타임스케이프 대안을 테스트하고 구별할 수 있는 힘을 가지고 있다고 말한다. 그러나 이를 위해서는 최소 1,000개의 독립적인 고품질 초신성 관측이 필요하다.

제안된 시간경관 모델이 마지막으로 시험 된 2017년의 분석 결과, 우주 팽창을 설명하는 데 있어 ΛCDM보다 약간 더 적합한 것으로 나타났으므로, 크라이스트처치 팀은 1,535개의 서로 다른 초신성 카탈로그를 꼼꼼히 작성한 Pantheon+ 협업팀과 긴밀히 협력했다. 그들은 새로운 데이터가 이제 시간경관에 대한 "매우 강력한 증거"를 제공한다고 말한다. 또한 허블 장력과 우주 확장과 관련있는 다른 이상 현상에 대한 설득력으로 해결책을 찾을 수도 있다.

연구자들은 시간경관 모델을 뒷받침하기 위해 유클리드와 낸시 그레이스 로만 우주 망원경의 추가 관측이 필요하다고 말하며, 이제 이 풍부한 새 데이터를 사용하여 우주의 팽창과 암흑에너지의 진정한 본질을 밝히려는 경쟁이 시작되었다고 말했다.

참조:
Zachary G Lane, Antonia Seifert, Ryan Ridden-Harper, David L Wiltshire. Cosmological foundations revisited with Pantheon+. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2024; DOI: 10.1093/mnras/stae2437

* 용어설명:
ΛCDM(람다 콜드 다크 매터, Lambda Cold Dark Matter) 모형:
우주의 구조와 진화에 대한 가장 널리 받아들여지는 이론적인 모델이야. 이 모델은 우주의 구성 요소와 그 상호작용을 설명하는 이론.
Λ (람다, Lambda): 우주 상수는 아인슈타인의 상대성 이론에서 등장한 개념으로, 우주가 가속 팽창하고 있음을 설명하기 위해 추가된 항목. Λ는 우주 팽창의 가속도를 설명하는 데 중요한 역할을 하며, 현재의 우주 팽창이 점점 더 빨라지고 있다는 현상을 설명할 수 있는 핵심 요소.
Cold Dark Matter (콜드 다크 매터): 콜드 다크 매터는 우주에 존재하는 물질 중 우리가 직접 관측할 수 없는 형태의 물질. '콜드'는 그 속도가 느리다는 의미이며, 이 물질은 빛과 상호작용하지 않아서 우리가 직접 관측할 수 없다. 그런데도 그 중력적인 영향을 통해 우주의 구조 형성에 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 예를 들어, 은하들이 형성되는 과정에서 콜드 다크 매터는 은하들 사이의 중력적 상호작용을 돕는다.

ΛCDM 모델에 따르면, 우주는 다섯 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다.
1. 암흑에너지(Λ): 우주의 가속 팽창을 일으키는 원인.
2. 암흑 물질: 중력적으로 상호작용하지만 빛과는 거의 상호작용하지 않는 물질.
3. 일반 물질: 우리가 알고 있는 별, 행성, 은하 등을 구성하는 물질.
4. 복사: 빛과 같은 전자기파.
5. 중성미자: 우주를 구성하는 작은 입자 중 하나로, 이들도 중요한 역할을 한다.

ΛCDM 모형은 우주론에서 관측된 대부분의 데이터를 잘 설명하고 있으며, 여러 천체물리학적 관측 결과와 일치한다. 예를 들어, 우주의 대규모 구조(은하단, 은하들) 분포, 우주의 초기 배경 복사(CMB), 그리고 은하의 회전 속도 등을 설명할 수 있다. 따라서 ΛCDM은 현재 우주론에서 우주에 대한 가장 잘 확립된 이론적인 모델.