채규현 세종대 교수, 뉴턴-아인슈타인 표준중력 붕괴 새로운 증거 발표

채규현 세종대 물리천문학과 교수./사진제공=세종대

세종대학교는 최근 채규현 물리천문학과 교수가 장주기 쌍성 궤도운동을 분석해 뉴턴-아인슈타인 표준중력이 약한 가속도에서 붕괴한다는 새로운 증거를 발견했다고 9일 밝혔다.

채 교수는 지난해 650광년 이내에 위치한 2만6500여개의 장주기 쌍성을 분석해 표준중력 붕괴에 대한 결정적 증거를 출판했다.

이번에는 이와 독립된 연구를 수행했다. 채 교수는 장주기 쌍성에 대한 유럽항공우주국 가이아(Gaia) 우주망원경의 최신 데이터베이스를 연구했다. 이는 쌍성에 대한 현존하는 최대 규모의 초정밀 데이터다.

특히 관측되지 않은 쌍성계를 제거하고 순수한 쌍성계만을 분석했다. 추가 별의 영향력을 계산하면서 발생할 수 있는 잠재적 오류를 원천적으로 차단하고 기존의 결과와 비교하기 위해서다. 순수 쌍성 샘플은 2463개로서 본 샘플의 10퍼센트에 불과하지만 독립적인 결과를 도출할 수 있다는 장점이 있다.

채 교수의 연구 결과는 이스라엘의 모르더하이 밀그롬(Mordehai Milgrom) 교수가 제안한 수정뉴턴역학(modified Newtonian dynamics)에 기초한 수정중력(modified gravity)이론의 예측과 일치했다.

궤도의 크기가 2000AU(astronomical unit: 천문단위는 지구와 태양 사이의 거리) 이내일 경우 쌍성의 궤도운동이 표준중력 예측과 유사하지만 2000AU 이상에서는 표준중력의 예측에서 벗어나기 시작한다. 5000AU 이상에서는 관측된 상대속력과 중력 가속도의 크기가 뉴턴의 예측치보다 각각 1.2배, 1.4~1.5배 커진다.

순수한 쌍성 역학에서 나타난 가속도 변칙(왼쪽)과 속도 변칙 그래프./사진제공=세종대

매우 엄밀하게 선택된 순수한 쌍성 샘플 연구가 10배 이상 큰 일반 샘플과 완전히 일치한다는 것은 표준중력 붕괴의 증거가 견고하다는 사실을 뒷받침한다. 중력이 자신의 속성을 드러낸 셈이다.

채 교수의 연구 결과는 전통적인 관점에서 받아들이기 어려울 수 있다. 강한 중력 영역에서는 아인슈타인의 일반상대성이론에 의해 뉴턴의 만유인력이 수정됐지만 일반상대성이론조차도 약한 중력 영역에서는 뉴턴역학과 만유인력을 보존한다. 그런데 채 교수의 연구 결과 쌍성의 역학이 약한 가속도에서 이러한 표준중력에 위배된다는 사실을 증명한 것이다.

세종대 관계자는 "중력에 대한 패러다임 전환이 시작되고 있다. 우주의 천체들과 우주 자체는 중력의 지배를 받기 때문에 천체물리, 우주론에서 중대한 변화가 일어날 것"이라며 "표준중력에 의해 이론적으로 요구되는 암흑물질, 더 나아가 암흑에너지에 대한 재해석이 불가피하게 됐다"고 설명했다.

채 교수는 "2023년 처음으로 쌍성에서 표준중력 붕괴의 직접적인 증거를 얻었을 때는 꿈을 꾸는 것만 같았다"며 "독립적인 연구를 통해 같은 결과를 얻으니 이제 중력의 새로운 성질이 점차 드러나는 것 같다. 조만간 후속 연구 결과도 공개할 예정"이라고 전했다. 이어 "우주와 자연법칙의 오묘함이 정말 놀랍고 앞으로 어떤 미래가 펼쳐질지 기대된다. 많은 이들이 약한 가속도에서 나타나는 중력 변칙에 대한 관심을 갖게 되면서 이번 세기에 폭발적인 발전이 있을 것으로 기대된다"고 전망했다.

한편 이번 연구 결과는 'Robust Evidence for the Breakdown of Standard Gravity at Low Acceleration from Statistically Pure Binaries Free of Hidden Companions'라는 제목으로 미국 천문학회가 발간하는 '천체물리학저널'(The Astrophysical Journal)에 게재됐다.

세종대학교 전경./사진제공=세종대

권태혁 기자 taehkd@mt.co.kr