"우주는 왜 팽창하나"…韓 연구진, 천문학계 난제 해결 단서 찾았다

우주 팽창 원인인 암흑에너지 파악 위해서는 '허블 상수' 측정해야

측정법 오차로 생긴 '허블 갈등'…"초기 우주 분석으로 해결 가능"

한국천문연구원은 천문연 소속 샤피엘루 알만 책임연구원이 이끄는 국제연구팀이 표준우주모형에서 발생하는 허블갈등을 검증하는 이론과 수식을 개발했다고 19일 밝혔다. 사진은 중력파우주연구단이 칠레 안데스 산맥에 건설 중인 7차원적 망원경의 조감도. (사진=천문연 제공) *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]윤현성 기자 = 국내 연구진이 주도하는 국제연구팀이 우주가 팽창하는 이유를 파악하는 과정에서 불거진 '허블 갈등'을 해소하기 위한 실마리를 잡아냈다.

한국천문연구원은 천문연 소속 샤피엘루 알만 책임연구원이 이끄는 국제연구팀이 표준우주모형에서 발생하는 허블 갈등을 검증하는 이론과 수식을 개발했다고 19일 밝혔다. 이를 통해 허블갈등 해소를 위해서 초기 우주에 수정된 물리 법칙을 도입해야 한다는 것이 확인됐다.

우주는 매 순간 팽창하고 있으며 팽창 속도는 점점 더 빨라지고 있다. 그러나 아직까지 우주를 가속 팽창시키는 이 에너지를 명확히 규명하지 못해 천문학자들은 '암흑 에너지'라는 이름을 붙여 연구하고 있다. 암흑 에너지는 우주의 에너지 중 약 68%를 차지한다. 암흑 에너지가 정확히 무엇이며, 어떤 성질을 갖는지는 아직 정확히 밝혀지지 않았다.

암흑 에너지의 정체를 밝히기 위해서는 가장 먼저 풀어야 할 난제가 있다. 우주의 현재 팽창 비율인 '허블 상수'를 정밀하게 측정해 허블 상수의 오차를 해결하는 것이다.

허블 상수를 측정하는 방법은 크게 2가지다. 변광성과 초신성의 관측을 통한 측정과 우주배경복사 및 표준우주모형을 바탕으로 한 측정으로 나눌 수 있다. 최근 연구에 의하면 이같은 두 가지 방법으로 계산된 허블 상수에 큰 차이가 있으며(1Mpc 당 초속 73㎞와 68㎞), 이를 허블 갈등이라 부른다.

이론천문학자들은 허블 갈등을 해결하기 위해 암흑에너지의 물리적 성질을 조금씩 변화시키거나 표준우주모형을 수정해왔다.

다양한 관측자료를 통해 예측한 허블상수(가로축) 값과 다른 물리량(세로축)의 허용 범위. 진한 초록색은 ‘판테온+’와 SDSS 자료, 회색은 우주배경복사 자료, 파란색은 이 세 자료를 종합한 결과이며, 모두 자유도를 늘려 후기 우주의 물리법칙 수정 가능성을 포함한 결과다. 하지만 위의 결과 모두 SH0ES 자료에서 얻은 결과(연한 초록색)와 부합하지 않다. 이는 후기 우주의 물리법칙 수정을 통해 허블갈등을 해소할 수 없음을 의미한다. (사진=천문연 제공) *재판매 및 DB 금지

샤피엘루 알만 박사의 연구팀은 '플랑크' 인공위성에서 측정한 우주배경복사, '슬로운디지털천구측량(SDSS)'에서 측정한 우주 3차원 지도, 초신성 관측자료인 '판테온+'와 '슈즈'(SH0ES)를 활용해 허블갈등을 해소할 수 있는지 검증하는 방법론을 개발했다.

연구팀은 후기 우주, 즉 가까운 우주의 물리법칙 수정을 통해 허블갈등을 해소할 수 없음을 밝혀냈다. 이는 결국 허블갈등을 해결하기 위해서는 초기 우주의 물리법칙을 수정하거나, 기존 허블상수 측정방법 외에 중력파 등을 이용한 측정이 절대적으로 필요함을 의미한다.

이 연구를 이끈 알만 샤피엘루 박사는 "이번 결과는 더 이상 후기 우주에 새로운 물리학을 도입하려는 시도는 효과가 없다는 것을 의미한다"며 "이제부터는 허블갈등을 해소하기 위해 관측 데이터에 존재할 수 있는 오차를 좀 더 깊이 분석하거나 초기 우주의 새로운 물리법칙을 찾아야 한다"고 설명했다.
 
이 연구를 수행한 연구자들이 참여하고 있는 중력파우주연구단의 단장 이형목 서울대 교수는 "다양한 우주론 데이터에는 무작위 오차와 계통 오차가 있을 수 있는데, 아직까지 우리는 계통 오차에 대해 잘 모르는 경우가 많이 있다"며 "현재 중력파 등을 이용한 독립적인 허블상수 측정을 위한 노력이 이뤄지고 있어 적어도 계통 오차의 한 측면은 조만간 밝혀지리라 생각한다"고 말했다.
 
한편 이번 연구 논문은 천문학 및 물리학 최상위급 학술지 PRL(Physical Review Letters)에 게재됐다. PRL은 지난 40년간 노벨 물리학상 연구의 약 65% 이상이 실렸으며, 노벨물리학상이 가장 많이 나온 저널이다.


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