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암흑 에너지는 환상에 불과한가?
등록일 : 2017-04-04 14:00 | 최종 승인 : 2017-04-04 14:00
정세진

[리서치페이퍼=정세진 기자]

빅뱅 이후 우주 팽창 가속화 이론을 설명하는 시뮬레이션

지난 20년 동안 물리학자들은 마치 기괴한 암흑 에너지가 풍선과 같은 공간을 날려버리듯, 우주의 팽창이 가속화되고 있다고 생각해 왔다.

실제로 우주론자들의 검증된 표준 모델은 우주의 구성물 중 69%가 암흑 에너지라고 가정하고 있다.

그러나 최근 한 연구에 따르면 밀도 면에서 우주 팽창의 가속화가 다양성이나 비균질성에 의해 촉발될 수 있다는 주장이 나왔다.

만약 이 주장이 사실이라면 알버트 아인슈타인의 상대성 이론을 사용하지 않고도 물리학의 큰 미스터리 하나를 설명할 수 있으나, 대부분의 과학자들은 회의적인 반응을 보이고 있다.

사진설명-우주 공간에서 암흑 에너지의 구성비

호놀룰루 하와이 대학의 우주학자 닉 카이저 박사는 "2011년 우주의 가속 팽창을 관측적으로 알아낸 노벨물리학상 수상자 3명 중 한명은 상을 반납해야 할지 모른다"고 언급했다.

또한 오하이오 주 갬비어의 케년 칼리지 전산우주학자인 톰 기블린은 "비균질성으로 암흑 에너지를 설명할 수 있다면, 나는 이것만큼 뚜렷한 증거를 찾아낼 수 없을 것"이라고 말했다.

문제는 우주가 지난 138억년 동안 어떻게 진화했는지를 계산하는 방법에 있다. 그것은 두 개의 방정식에 의존한다.

하나는 물질이 어떻게 은하계와 은하군으로 합쳐지는지를 설명하는 공식이다. FLRW(Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker) 측정법으로 알려진 다른 하나는 아인슈타인의 중력 이론 또는 일반 상대성 이론에서 나오며 우주가 얼마나 확장됐는지를 계산하는 방법을 말한다.

우주 비행사의 프로그램은 시뮬레이션의 각 단계에서 FLRW 미터법을 사용해 우주가 얼마나 성장했는지 '축척 계수'를 계산한다. 그리고 축적계수를 입력값으로 은하와 클러스터의 형성이 어떻게 진행되는지 알아낸다.

다만 FLRW 방정식은 우주가 매끄럽고 균질하다는 전제 하에 이뤄지는 계산이다. 따라서 각 단계에서 규모 인자를 계산하기 위해서는 시뮬레이션에서 결정된 평균 밀도를 FLRW 미터의 입력으로 사용한다고 가정한다.

그러나 일반 상대성 이론은 질량과 에너지가 시공간에 뒤틀린다고 보고 있다. 그 결과 공간은 텅 빈 지역일수록 더 빨리 팽창해야 하고, 은하의 중력이 팽창에 대비해 높은 지역에서는 팽창이 느려야 한다.

이런 문제점을 보완하기 위해 헝가리 부다페스트의 외트비시 로란드 대학의 천체 물리학 연구팀은 '후진 작용'을 포착할 수 있도록, 각면을 따라 4억 8000만 광년의 공간 큐브를 시뮬레이션했다.

FLRW 미터법을 사용하여 각 시간 단계에서 전체 큐브에 대해 단일 배율 인수를 계산하는 대신 큐브를 100만개로 분리한 다음 방정식을 사용해 각각의 배율 인수를 계산하는 방식이다.

연구팀은 평균 밀도를 이용해 계산한 스케일 인자와 차이를 보이는 많은 스케일 인자의 평균을 계산했으며, 우주의 모든 지역이 팽창률 자체를 결정한다고 가정했다.

가상 세계는 지난 수십억 년 동안 그 확장이 가속화되면서 실제와 마찬가지로 많은 성장을 이뤘으며, 시뮬레이션에 공간을 늘리는 암흑 에너지를 추가하지 않고도 이런 일이 발생했다는 것이 이들이 내린 결론이다.

이 연구 결과는 왕립 천문학협회의 월간 회보를 통해 밝혀졌으며, 결국 암흑 에너지는 환상에 불과하다고 연구팀은 전했다.

다만 기블린 박사는 자신의 연구팀이 수행한 시뮬레이션이 새로운 모델과 다르다는 점에 주목하고 있다. 이 새로운 연구는 우주의 진화를 추적, 공간 규모를 미세하게 만들었지만 특정 가정과 근사치를 포함한다고 그는 말한다.

그의 연구에 따르면 후위 반응은 우주의 팽창률을 1% 미만으로 변화시키는 반면, 새로운 시뮬레이션은 20%를 초과하는 효과를 나타내게 된다.

한편 카이저 박사는 실제로 우주 공간에서 비균질성의 영향은 더 작을 것으로 보고 있다. 그는 우주 확장 가속화에 대한 가장 또렷한 증거는 비교적 가까운 우주에서 타입 1a 초신성으로 알려진 별 폭발의 거리와 나이를 측정하는 데 있다고 설명합니다.

가까운 우주라면 중력의 법칙이 보다 잘 적용되며, 이것은 상대성 이론에서 스케일 인자가 결정되는 방법의 차이가 큰 영향을 미치지 않아야 한다는 점을 시사한다.

프랑스 리용 대학의 우주학자 토마스 부처 박사는 "기블린은 주류 우주론에서 암흑 에너지 문제를 푸는 데 있어 비범한 발상을 제공했다"고 했으나 그 정확성에 대해서는 말을 아끼고 있다.

[리서치페이퍼=정세진 기자]
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