우주 팽창시키는 암흑 에너지가 약해지고 있다

  - 암흑에너지 관측 프로젝트(DESI) 3년 관측 결과 발표

- 표준 우주론 모형 아닌 시간 따라 변하는 암흑에너지 모형 유력

- 천문연 연구진, 암흑에너지 모형 검증 연구 주도

 □ 암흑에너지분광장비(DESI) 프로젝트 개요

 ㅇ 암흑에너지분광장비(이하 DESI, The Dark Energy Spectroscopic Instrument)는 우주 전체 에너지의 대부분을 차지하는 암흑에너지의 정체를 밝히기 위해 분광기로 우주 3차원 지도를 만드는 대규모 국제공동 프로젝트다. 한국을 비롯한 11개 국가, 70개 기관의 연구자 약 900명이 참여하고 있다. 미국 애리조나 주 키트피크(Kitt Peak) 산꼭대기에 위치한 5,000개의 작은 광섬유 로봇들로 구성된 다채널분광기를 장착한 망원경으로 먼 은하에서 나온 빛의 스펙트럼을 정밀하게 관측하고 암흑에너지를 연구한다. (그림 1)

□ 암흑에너지분광장비(DESI) 프로젝트 연구결과 발표

 ㅇ 한국천문연구원이 참여하는 DESI 국제 공동 연구진은 약 1,500만 개의 은하와 퀘이사를 포함하는 3년간의 데이터를 사용해 암흑에너지의 밀도가 약해졌다고 발표했다. 

 ㅇ 암흑에너지는 현재 우주 전체 에너지의 약 70%를 차지하는 요소로, 우주의 팽창 속도를 더 빠르게 하는 역할을 한다. 우주의 역사를 설명하는 이론인 표준 우주론 모형에 따르면 우주 가속팽창의 원인인 암흑에너지는 일정하게 유지되는 상수로 취급된다. 하지만 이번 결과에서 우주를 팽창시킨 암흑에너지의 밀도가 지난 45억 년 동안 10%씩 약해짐을 확인했다. 이번 분석 결과대로라면 우주의 팽창 가속도가 점점 줄고 있어 현재 표준 모형을 수정해야 할 수 있다.

 ㅇ DESI는 물질이 우주 전체에 어떻게 퍼져 있는지를 연구해 암흑에너지의 영향을 추적한다. 아주 초기 우주의 사건은 물질이 어떻게 분포되는지에 미묘한 패턴을 남겼는데, 이를 중입자 음향 진동(BAO) 이라고 한다. 이 BAO 패턴은 표준 눈금자 역할을 하며, 그 크기는 우주가 확장되는 방식에 직접적으로 영향을 받는다. 다른 거리에서 눈금자를 측정하면 연구진은 역사 전반에 걸쳐 암흑에너지의 밀도를 알 수 있다. (그림 2)

 ㅇ 연구진은 이 DESI 데이터에 추가로 우주 마이크로파 배경 복사, 초신성, 약한 중력 렌즈 관측자료를 결합했다. 그 결과, 표준 우주론 모형인 LCDM*은 결합된 관측자료와 잘 들어맞지 않는다는 것을 확인했다. 반면, DESI 국제 공동 연구진은 시간에 따라 변화하는 암흑에너지 모형이 표준 우주론 모형보다 관측자료를 더 잘 설명해 준다고 밝혔다. (그림 3)

   ※ LCDM(람다 차가운 암흑물질 이론) : 우주상수에 해당하는 암흑에너지를 가지고 있고 대부분의 물질은 차가운 암흑물질로 이루어져 있다는 모형을 뜻하며 현대 우주론의 표준 이론으로 오랫동안 자리 잡아 왔다.

□ 한국 연구진 연구 결과

ㅇ 이번 DESI 3년차 데이터 분석에는 한국천문연구원의 샤피엘루알만 (Shafieloo Arman) 박사, 데이비드 파킨슨(David Parkinson) 박사, 윌리엄 매튜슨(William Matthewson) 박사, 쿠샬 로드하(Kushal Lodha) 박사과정 학생을 포함한 200명 정도의 연구진이 참여했다.

 ㅇ 특히 한국천문연구원은 DESI 3년차 관측 결과 발표의 주요 논문 중 하나인 ‘확장 암흑에너지 분석’을 주도했으며, 쿠샬 로드하 한국천문연구원/과학기술연합대학원대학교(UST) 박사과정 학생이 본 논문의 주저자이다.

□ 암흑에너지분광장비(DESI) 프로젝트 향후 계획

 ㅇ DESI 3년차 데이터는 우주상수보다 시간에 따라 변화하는 암흑에너지를 더 선호한다는 것을 시사한다. DESI는 현재 총 5년 중 4년차 관측을 수행 중이며, 프로젝트가 끝날 때까지 약 4,000만 개의 은하와 퀘이사(극도로 멀지만 중심부에 블랙홀이 있는 밝은 물체)를 측정할 계획이다. 

□ 관계자 코멘트

  - 이형목 중력파우주연구단의 단장(서울대학교 물리천문학부 교수)은 “현대 우주론에서 가장 큰 수수께끼중 하나인 암흑에너지의 성질이 서서히 밝혀지고 있는 것으로 보인다”라고 말했다.

  - 한국천문연구원 샤피엘루알만 박사 (UST 교수, 중력파우주연구단 핵심연구원)는 “우리는 현재 암흑에너지가 우주상수가 아닐 수도 있다는 엄청난 발견의 시작을 보고 있다. 이 발견은 우주론의 표준 모형을 바꾸고, 이론 물리의 기반을 흔들 것이다”라고 말했다.

  - 한국천문연구원/UST 쿠샬 로드하 박사과정 학생은 “최근 DESI 결과는 우주 에너지의 대부분을 차지하는 암흑에너지를 새롭게 바라봐야 한다는 점을 시사한다. 앞으로 막대한 관측자료가 쏟아짐에 따라 우주론에 여러 흥미로운 발견이 이루어질 것이다”라고 말했다.

그림 1. DESI는 최첨단 기기로 최대 5,000개의 천체에서 동시에 빛을 포착할 수 있다. (출처: Marilyn Sargent/Berkeley Lab)

그림 2. DESI 연구진이 만든 수백만 개의 은하와 퀘이사의 거리와 방향이 찍혀 있는 우주의 3차원 지도. 

적경 190도, 적위 14도에 이르는 하늘의 좁은 부채꼴 모양의 관측자료로서 우리은하가 중심에 있다. 

중심으로부터의 거리는 DESI가 관측한 적색이동에 해당한다. 

이 중 적색이동된 약 27억 광년 안쪽의 모습을 확대한 큰 지도에는 중입자음향진동의 패턴인 여러 개의 공 모양이 선명히 보인다. (출처: DESI)

그림 3. DESI 3년차 자료와 다른 관측자료를 결합했을 때 허용되는 암흑에너지의 성질 범위(초록색 타원). 

암흑에너지가 시간에 따라 변하지 않는 우주상수 모형은 가로 점선과 세로 점선이 만나는 점에 해당한다. 

이번 연구 결과는 관측에서 허용되는 암흑에너지의 성질 범위는 우주상수 모형과는 잘 맞지 않음을 보여준다.