물리 110억년 우주팽창의 역사 자세히 담은 새 3D 우주지도 나왔다

110억년 우주팽창의 역사 자세히 담은 새 3D 우주지도 나왔다

슬론디지털전천탐사(SDSS)가 20년간의 관측 데이터와 최근 확장바리온음향진동분광학탐사(eBOSS) 팀의 조사 결과를 통해 구축한 110억 광년 이내 우주의 구조 지도다. 이를 통해 110억 광년 떨어진 먼 우주까지의 구조를 파악하고, 이를 통해 과거의 우주 팽창 특성을 파악한 결과 우주는 편평하고, 거리 별 팽창속도를 결정하는 허블상수는 기존 추정보다 작다는 사실이 밝혀졌다. SDSS 제공

초기 우주부터 현재까지 우주의 3차원(3D) 구조를 밝힌 현재까지 가장 정밀한 우주 지도가 나왔다. 빅뱅 직후인 우주 초기와 수십억 년 전 이후의 비교적 최근 우주 역사와 구조는 그 동안 어느 정도 밝혀져 있었지만, 약 110억 년 전까지의 우주 공간 구조를 자세히 밝히고 우주가 진화해 온 과정을 밝힌 것은 처음이다. 특히 이 과정에서 기존에 알려져 있던 것보다 거리에 따른 우주의 팽창속도 증가율은 작다는 사실이 새롭게 밝혀져 향후 천체물리학 연구에서 중요한 논쟁점이 될 것으로 보인다.

슬론디지털전천탐사(SDSS) 연구협력단은 그 동안 우주 구조 및 진화 과정 연구의 최근 20년 동안 수행한 탐사 결과를 바탕으로 지금부터 약 110억 년 전까지 우주의 구조와 진화 역사를 밝힌 분석 결과를 이달 19일(현지시간) 공개했다.

SDSS는 미국 뉴멕시코주 아파치포인트천문대의 광학 망원경을 이용해 천체가 지구에서 멀어질 때 발생하는 파장의 변화(적색편이)를 관측하는 탐사 프로젝트다. 지난 2000년부터 4~6년 단위로 탐사 데이터를 모아 전체 우주의 입체 지도를 만들고 있다. 적색편이는 우주가 팽창하면서 지구에서 멀어질 때 분광학 관측 결과가 파장이 긴 빨간색으로 치우쳐 관측되는 현상이다. 적색편이의 정도를 측정하면 그 천체가 얼마나 빨리 멀어져가는지(후퇴속도)를 확인할 수 있다.

이 때 지구에서 떨어진 은하일수록 과거의 은하이기 때문에, 먼 은하를 관측하면 먼 과거의 우주 구조와 후퇴속도를 알 수 있다. 예를 들어 110억 광년 거리의 은하를 관측하면 110억 년 전의 우주 구조와 후퇴속도를 알 수 있다. 먼 우주일수록 후퇴속도도 일정하게 증가하는데, 그 증가 비율을 ‘허블상수’라고 부른다. 허블상수를 알면 우주가 얼마나 빨리 팽창하는지 그 속도를 알 수 있다.

SDSS 소속 100여 명의 전세계 천체물리학자가 참여하는 확장바리온음향진동분광학탐사(eBOSS) 팀은 빛의 속도로 110억 년 가야 하는 먼 거리에 위치한 은하 200만 개를 관측했다. 바리온음향진동은 물질(바리온)과 빛이 아직 뒤섞여 있던 빅뱅 이후 38만 년 이전에 빛의 복사압으로 물질이 요동치며 형성된 강한 물질파의 흔적이다. 연구팀은 110억 년 전까지 다양한 거리대의 은하와 은하의 물질이 은하 중앙에 자리한 초대질량블랙홀로 빨려 들어가며 강력한 빛을 내는 밝은 천체인 퀘이사(준성전파원) 관측 데이터, 초신성과 마이크로파우주배경복사(CMB) 관측 데이터를 추가해 허블상수와 우주의 곡률을 계산하고 우주의 구조를 지도에 그렸다.

그 결과 빅뱅 이후 38만 년 뒤 바리온음향진동의 흔적으로 형성되기 시작한 우주의 거대한 필라멘트 구조와 보이드 구조를 포함해 지금까지 나온 가장 자세한 우주 입체 지도를 완성했다.

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허블상수 값도 자세히 구했다. 그 결과 허블상수가 67~70 사이로 측정돼, 2011년 허블우주망원경이나 2012년 스피처 우주망원경, 2012년 WMAP 등의 임무로 가까운 은하만을 바탕으로 측정했던 값(70~76)보다 10% 이상 낮은 것으로 나타났다(아래 그림). 거리가 멀어질수록 우주의 팽창속도가 증가하지만, 그 증가율은 과거 생각했던 것보다 작다는 뜻이다. 이는 2013~2018년 발표된 유럽우주국(ESA)의 CMB 탐사선 ‘플랑크’ 등이 측정한 결과와 비슷하다. 또 최근 중성자별 병합에 의해 발생한 중력파나 적색거성을 관측한 연구의 측정값인 69~70과도 비슷하다. eBOSS 팀은 “아직 정확한 이유는 모르지만, 아직 알려지지 않은 물질이나 에너지의 흔적일 가능성이 있다”고 밝혔다. 

SDSS와 eBOSS가 측정한 데이터를 기반으로 한 허블상수(세로축)과 우주 곡률(가로축)의 추정 범위를 그래프로 표시했다. 데이터의 증가로 측정값 범위가 좁아졌다. 대략 허블상수는 67~70 사이, 곡률은 0으로 나타났다. 이는 2015년 유럽우주국(ESA)의 우주 마이크로파배경복사(CMB) 측정 결과에 따른 분석값과 비슷하다. SDSS 제공

이번 연구에서는 우주가 곡률이 없이 편평하다는 사실도 다시 한번 확인됐다. 우주에 곡률이 없다는 것은 우주로 두 우주선을 평행하게 발사하면 두 우주선 사이 간격이 변하지 않은 채 영원히 만나지 않는다는 뜻이다. 만약 우주의 곡률이 다르다면 두 우주선은 서로 만나거나, 오히려 거리가 멀어지는 등 다른 경로를 보이게 된다. 평행한 두 우주선이 서로 만나는 우주는 중력이 강한 우주로 팽창이 어느 순간 멈춰 우주가 수축하게 되고, 평행한 두 우주선이 서로 멀어지는 우주는 중력이 약해 우주가 점점 빠르게 팽창하게 된다. 이 역시 플랑크의 관측 결과와 일치한다.

윌 퍼시벌 캐나다 워털루대 교수는 “가장 광범위한 시간대의 우주 팽창 역사를 가장 정교하게 관측했다”며 “관측 데이터를 통해 우주 팽창을 가장 잘 이해할 수 있게 될 것”이라고 말했다.