“우주팽창 비밀 풀 허블갈등 해소 실마리, 초기 우주에서 찾아야”

한국천문연구원, 허블갈등 검증이론 개발

중력파우주연구단이 칠레 안데스 산맥에 건설 중인 7차원적 망원경의 조감도. 지름 50cm 망원경 20대를 배열해 마치 지름 2.3m 망원경의 성능을 내면서 다양한 모드의 관측이 가능해 다중신호 천문학에 크게 기여할 것으로 기대된다. 중력파우주연구단 제공

국내 연구진이 주도하는 국제연구팀이 우주팽창의 원인을 확인하는 과정에서 불거진 ‘허블갈등’을 풀기 위한 실마리를 제시했다.

한국천문연구원은 샤피엘루 알만 책임연구원이 이끄는 국제연구팀이 표준우주모형에서 발생하는 ‘허블갈등’을 검증하는 이론과 수식을 개발했다고 19일 밝혔다. 연구팀은 허블갈등 해소를 위해선 초기 우주에 수정된 물리 법칙을 도입해야 한다는 결론을 제시했다. 관련 논문은 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 레터스’에 지난달 15일 게재됐다.

우주는 매 순간 팽창하고 있으며 팽창 속도는 점점 더 빨라지고 있다. 아직까지 우주를 가속팽창시키는 이 에너지를 명확히 규명하지 못해 천문학자들은 ‘암흑에너지’라는 이름을 붙여 연구하고 있다. 우주의 팽창 속도를 점점 더 빠르게 하는 암흑에너지는 우주의 에너지 중 약 68%를 차지한다.

암흑에너지의 정체를 밝히기 위해 가장 먼저 풀어야 할 문제는 우주의 현재 팽창비율인 허블상수를 정밀하게 측정해 허블상수의 오차를 해결하는 것이다. 허블상수를 측정하는 방법은 크게 두 가지다. 변광성과 초신성의 관측을 통한 측정과 우주배경복사 및 표준우주모형을 바탕으로 한 측정이 있다. 

하지만 최근 연구에 따르면 두 가지 방법으로 계산된 허블상수에 큰 차이가 있다. 각 방법이 산출한 허블상수는 각각 1메가파섹(Mpc‧약 3.26광년) 당 초속 73㎞와 68㎞로 상이하다. 이를 허블갈등이라 부른다. 앞서 이론천문학자들은 허블갈등을 해결하기 위해 암흑에너지의 물리적 성질을 조금씩 변화시키거나 표준우주모형을 수정해왔다.

댜양한 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 결과다. 모두 자유도를 늘려 후기 우주의 물리법칙 수정 가능성을 포함했다. 하지만 위의 결과 모두 SH0ES 자료에서 얻은 결과(연한 초록색)와 부합하지 않다. 이는 후기 우주의 물리법칙 수정을 통해 허블갈등을 해소할 수 없음을 의미한다. 한국천문연구원 제공

연구팀은 ‘플랑크’ 인공위성에서 측정한 우주배경복사, ‘슬로운디지털천구측량’에서 측정한 우주 3차원 지도, 초신성 관측자료인 ‘판테온+’와 ‘슈즈’를 활용해 허블갈등을 해소할 수 있는지 검증하는 방법론을 개발했다. 

연구팀은 후기 우주, 다시 말해 가까운 우주의 물리법칙 수정을 통해 허블갈등을 해소할 수 없음을 밝혀냈다. 허블갈등을 해결하기 위해서는 초기 우주의 물리법칙을 수정하거나 기존 허블상수 측정방법 외에 중력파 등을 이용한 측정이 절대적으로 필요하다는 것이다.

샤피엘루 박사는 “이번 결과는 더 이상 후기 우주에 새로운 물리학을 도입하려는 시도는 효과가 없다는 것을 의미한다. 이제부터는 허블갈등을 해소하기 위해 관측 데이터에 존재할 수 있는 오차를 좀 더 깊이 분석하거나 초기 우주의 새로운 물리법칙을 찾아야한다”고 말했다.
   
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 밝혀질 것이라 생각한다”고 말했다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]