우주의 크기는 아직 미지의 영역

빅뱅 이후, 우주를 관착하는 기술은 나날히 발전하고 있지만 아직까지 우주를 정확하게 관측하는 데 실패하고 있습니다. 이론적인 모형과 실험 데이터 간의 불이치와 함께 어느 것이 잘못 되었는 지 속단하기는 이르지만 우주의 크기나 나이를 정확하게 알아내는 것은 아직 우리 기술과 지식이 부족하다는 것을 의미합니다. 이 글에서는 과학자들의 우주의 크기를 측정하는데 봉착한 문제에 대해 알아보고자 합니다.  

 

목차

 

현대 과학으로 설명 불가능한 우주의 팽창 속도 

 우주가 크다고 말해보죠. 우리가 어떤 방향으로든 볼 때, 우주에서 가장 멀리 보이는 것은 약 460억 광년 떨어져 있는 것으로 추정됩니다. 지름이 540조 마일에 달합니다. 하지만 이것은 현대과학이 일궈낸 추론일 뿐입니다. 아무도 우주의 크기가 얼마나 큰지 정확히 모릅니다.
 왜냐하면 우리는 우주가 시작된 이후로 빛(또는 더 정확하게는 빅뱅에서 방출된 마이크로파 방사능)을 볼 수 있기 때문입니다. 약 138억년 전에 우주가 출현한 이래로, 우주는 바깥쪽으로 확장되고 있습니다. 하지만 우리는 우주의 정확한 나이를 알지 못하기 때문에, 우주가 우리가 볼 수 있는 한계가 얼마인지 정확히 파악하기가 어렵습니다.

 하지만 천문학자들이 이러한 계산이 가능하게 해주는 것이 '허블 상수'라고 알려진 숫자입니다.

우우우주

 "이것은 현재 우주가 얼마나 빠르게 팽창하고 있는지를 보여주는 척도입니다,"라고 그녀의 경력을 측정하는데 쓴 시카고 대학의 천체 물리학자인 웬디 프리드먼은 말합니다. "허블 상수는 우주의 크기와 나이 둘 다로 우주의 크기를 결정합니다."

 풍선이 커지는 것처럼 우주가 팽창한다고 생각하면 이해하는 데 도움이 됩니다. 풍선 표면의 점처럼 별과 은하가 서로 더 빨리 멀어질수록, 그들 사이의 거리는 더 커집니다. 우리의 관점에서, 이것은 은하가 우리로부터 멀어질수록, 더 빨리 멀어지고 있다는 것을 의미합니다.

 

 천문학자들이 허블 상수를 수 많은 은하와 별에 적용할수록 우리의 예측이 더 어긋나게 되었습니다. 허블 상수는 천체와의 거리 중 한가지의 방법으로 거리를 측정하는 반면, 우주에는 수 많은 매개 변수가 있어 허블상수만으로 측정하는 것은 오류가 발생하거나, 또는 우리가 생각치 못한 측정법이 있을 수 있습니다. 

 

하지만 과학자들은 이제 허블 상수가 정확히 무엇인지 알아내기 위한 새로운 실험과 관찰 덕택에 해답에 가깝다고 믿고 있습니다.
 "우주론자로서 우리가 직면한 것은 공학적인 도전입니다. 어떻게 하면 이 양을 가능한 한 정확하고 정확하게 측정할 수 있을까요?"라고 프린스턴 대학의 천문학자 Rachael Beaton은 말합니다. 이 과제를 해결하기 위해서는 데이터를 수집하여 측정할 뿐만 아니라 가능한 여러 가지 방법으로 측정값을 교차 검증해야 한다고 그녀는 말합니다.

1929년 에드윈 허블이라는 이름을 가진 천문학자가 허블 상수를 측정한 결과 초당 500km(km/s/Mpc) 또는 310마일/mpc로 측정했습니다. 이 값은 지구에서 멀리 떨어져 있는 모든 메가파섹(326만 광년에 해당하는 거리 단위)에 대해 여러분이 보는 은하계가 메가파섹 가까이 있는 은하보다 500km/s(310마일/s) 더 빠르게 멀어지고 있다는 것을 의미합니다.

초창기에 형성된 우주 두 가지의 힘으로 추정한 우주의 팽창 속도

허블이 우주 팽창 속도에 대한 첫 번째 추정치 이후, 그 수치는 계속 내려가고 있습니다. 오늘날의 추정치로는67~74km/Mpc(42~46마일/Mpc) 사이입니다.
 문제는 어떻게 관측 하느냐에 따라 허블상수가 달라질 수 있다는 것입니다. 

대부분 허블 상수의 불일치에 대한 설명은 두 가지의 측정에서 비롯된 것입니다. 하나는 가까운 은하가 얼마나 빨리 우리로부터 멀어지는지를 보는 것이고, 다른 하나는 빅뱅 이후에 처음으로 탈출한 우주 마이크로파 배경(CMB)을 사용하는 것입니다.

마이크로 파

오늘날에도 여전히 이 빛을 볼 수 있습니다. 하지만 우주의 먼 부분들이 우리에게서 멀어지기 때문에 이 빛은 전파로 확장되어 있습니다. 1960년대에 우연히 처음 발견된 이 전파 신호들은 우주가 어떻게 생겼는지에 대한 추론할 수 있게 만들었습니다. 

중력의 힘과 방사선이 바깥으로 방출되는 힘은 초창기 우주가 만들어 지면서 서로 줄다리기듯 서로를 끌어 당겼는데,  이것은 우주 마이크로파 내에서 여전히 작은 온도 차이로 볼 수 있는 교란을 일으켰습니다.

 이러한 현상을 이용하여 빅뱅 직후에 우주가 얼마나 빠르게 팽창했는지 측정할 수 있으며, 이를 우주론의 표준 모델에 적용하여 오늘날 팽창 속도를 추론할 수 있습니다. 이 표준 모델은 우주가 어떻게 시작되었고, 우주가 무엇으로 만들어졌으며, 오늘날 우리 주변에서 무엇을 볼 수 있는지에 대한 가장 좋은 현상 중 하나입니다.

하지만 천문학자들이 허블 상수를 측정하려고 할 때, 근처의 은하가 어떻게 우리로부터 멀어지고 있는지를 측정하면 수치가 틀려 나오는 문제가 발생하였습니다.

 프리드먼은 표준 모델이 정확하다면 두 가지 값, 즉 오늘날 로컬에서 측정한 값과 초기 관찰에서 추론한 값이 일치할 것해야한다고 했지만, 실제로는 수치가 틀리게 나왔다. 
 유럽우주국(ESA)의 플랑크 위성이 CMB의 불일치를 측정했을 때, 2014년 그리고 2018년에 다시 한번 허블 상수에 대해 나온 값은 67.4km/s/Mpc입니다. 하지만 이것은 프리드먼과 같은 천문학자들이 가까운 은하를 관측했을 때 측정한 값보다 약 9% 적은 수치입니다.

2020년에 Atacama Cosmology 망원경을 사용한 CMB의 측정은 Planck의 데이터와 관련이 있습니다. Beaton은 "이는 몇 가지 출처에서 Planck에 체계적인 문제가 있었다는 것을 배제하는 데 도움이 됩니다."라고 말합니다. CMB 측정이 정확하다면 두 가지 가능성 중 하나를 남겼습니다. 가까운 은하의 빛을 이용한 측정이 잘못되었거나, 우주론의 표준 모델이 잘못 된 것입니다.

프리드먼과 그녀의 동료들에 의해 사용된 기술은 세페이드 변광성이라 불리는 특정한 유형의 별의 이점을 이용합니다. 약 100년 전에 헨리에타 레빗이라는 천문학자에 의해 발견되었고, 이 별들은 밝기를 바꾸고, 며칠에서 몇 주에 걸쳐 희미하고 밝습니다. 레빗은 별이 밝을수록 밝아지고, 어둡고, 다시 밝아지는 데 시간이 더 걸린다는 것을 발견했습니다. 이제, 천문학자들은 이 펄스를 밝기로 연구함으로써 별이 실제로 얼마나 밝은지 정확히 알 수 있습니다. 지구상에서 얼마나 밝게 보이는지 측정하고, 빛이 거리의 함수로 희미해진다는 것을 알면 항성까지의 거리를 정확히 측정할 수 있는 방법을 알 수 있습니다.

우주의 팽창속도가 예상보가 빠르면 우주의 나이는 138억년 보다 젊다

 

프리드먼 연구팀은 허블 우주 망원경의 데이터를 사용하여 허블 상수를 측정하기 위해 이웃 은하에서 세페이드 변수를 최초로 사용했습니다. 2001년, 그들은 그것을 72km/s/mpc로 측정했습니다.

그 이후로, 국부 은하를 연구함으로써 얻은 가치는 같은 지점에서 맴돌고 있습니다. 같은 종류의 별을 사용하여, 다른 팀은 2019년에 허블 우주 망원경을 사용하여 74km/s/Mpc의 수치에 도달했습니다. 그리고 불과 몇 달 후, 다른 천체 물리학자들은 퀘이사에서 나오는 빛과 관련된 다른 기술을 사용하여 초당 73km의 값을 얻었습니다.

이러한 측정값이 맞다면 우주가 우주론 표준 모형의 이론보다 더 빠르게 팽창할 수 있다는 것을 의미합니다. 이는 이 모델을 의미할 수 있으며, 우주의 기본적 성격을 설명하기 위한 최선의 시도와 함께 업데이트되어야 한다는 것을 의미합니다. 현재, 답은 확실하지 않지만, 만약 그렇다면, 그 의미는 심오할 수 있습니다.

"그것은 우리가 생각하는 표준 모델에는 뭔가가 빠져 있다는 것을 말해주는 것일 수 있습니다,"라고 프리드먼은 말합니다. "우리는 아직 왜 이런 일이 일어나는지 모르지만, 이것은 발견을 위한 기회입니다."

만약 표준 모형이 틀렸다면, 그것이 의미할 수 있는 한 가지는 우주가 무엇으로 구성되어 있는지에 대한 우리의 모델, 즉 암흑 물질, 암흑 에너지와 방사선의 상대적인 양은 그다지 옳지 않다는 것입니다. 만약 우주가 우리가 생각했던 것보다 더 빨리 팽창한다면, 현재 138억년 보다 훨씬 더 젊어질 수도 있습니다.

이 불일치에 대한 설명은 우리가 살고 있는 상식이 우주의 한부분과 비교했을 때는 이해되지 못할 부분이 존재할 수 있는것입니다. 그리고 그 차이가 측정을 왜곡하고 있다는 것입니다. "완벽한 비유와는 거리가 멀지만, 같은 압력을 가하더라도 언덕을 오르거나 내려가면 자동차의 속도나 가속도가 어떻게 변형되는지 생각해 볼 수 있습니다."라고 Beaton은 말합니다. "저는 그것이 우리가 보는 허블 상수의 불일치의 궁극적인 원인이 될 것 같지는 않지만, 이 때까지 실험에서 발생한 수치들의 불일치들이 내포한 의미가 중요하다고 생각합니다."

 하지만 천문학자들은 그들이 허블 상수가 무엇이고, 어떤 측정값이 정확한지 정확히 알아내는 데 가까워지고 있다고 생각합니다.

"흥미로운 것은 1년이든 2년이든 3년이든 간에 이 문제를 정말 단기간에 해결할 수 있을 것이라고 생각합니다."라고 프리드먼이 말합니다. "이러한 측정을 수행할 수 있는 정확성을 향상시킬 수 있는 많은 것들이 앞으로 다가오고 있습니다. 그래서 저는 우리가 이 문제의 핵심을 파악하게 될 것이라고 생각합니다."

하나는 2013년에 발사된 ESA의 우주 관측소 가이아로, 약 10억 개의 별의 위치를 높은 정확도로 측정해 왔습니다. 과학자들은 이것을 시차라고 불리는 기술로 별까지의 거리를 알아내기 위해 사용하고 있습니다. 가이아가 태양을 공전할 때 우주에서의 유리한 지점은 변합니다. 마치 여러분이 한 눈을 감고 물체를 본다면, 다른 눈으로 약간 다른 곳에 나타납니다. 그래서, 가이아는 궤도를 도는 동안 일년 중 다른 시간에 물체를 연구함으로써, 과학자들이 우리 태양계에서 별이 얼마나 빨리 멀어지고 있는지를 정확하게 연구할 수 있게 해줄 것입니다.

허블 상수의 가치가 무엇인지에 대한 질문에 답하는 데 도움이 될 또 다른 시설은 2021년 말에 발사될 예정인 제임스 웹 우주 망원경입니다. 적외선 파장을 연구함으로써, 그것은 우리와 별들 사이의 먼지에 가려지지 않는 더 나은 측정을 가능하게 할 것입니다.

만약 그들이 허블 상수의 차이가 지속된다는 것을 발견한다면, 새로운 물리학을 위한 시간이 될 것입니다. 그리고 그 차이를 설명하기 위해 많은 이론들이 제시되었지만, 어떤 것도 우리 주변에서 볼 수 있는 것과 전혀 들어맞지 않습니다. 각각의 잠재적인 이론은 단점을 가지고 있습니다. 예를 들어, 초기 우주에는 또 다른 종류의 방사선이 있었을 수도 있지만, 우리는 CMB를 너무 정확하게 측정해서 그럴 가능성은 없어 보입니다. 또 다른 방법은 암흑 에너지가 시간에 따라 변할 수 있다는 것입니다.

"그것은 앞으로 나아갈 유망한 방법처럼 보였지만, 지금은 시간의 함수로써 암흑 에너지가 얼마나 많이 변할 수 있는지에 대한 다른 제약들이 있습니다,"라고 프리드먼은 말합니다. "정말 주도적인 방식으로 해야 할 것이고, 그렇게 될 가능성이 커 보이지는 않습니다." 그 대안으로는 초기 우주에는 암흑에너지가 존재했는데, 암흑에너지가 사라진 이유는 분명치 않다는 것입니다.

그것은 과학자들이 무슨 일이 일어나고 있는지 설명할 수 있는 새로운 아이디어를 생각해 내도록 했습니다. "사람들은 이 일을 열심히 하고 있고 그것은 흥미롭습니다,"라고 프리드먼은 덧붙였습니다.