물리 아직도 불확실한 중력파의 증거

2014.06.07 23:01

졸리운_곰 조회 수:380


아직도 불확실한 중력파의 증거

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2014060072&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-06-05



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지난 3월에 발표된 빅뱅의 물결은 너무 약해서 의미가 없다는 분석논문 2가지가 발표되었다.

올해 봄에 원시 중력파의 증거를 찾았다고 발표했던 천문학자들은 은하 먼지의 혼란스런 영향을 적절하게 고려하지 않았기 때문에 성급한 발표였다는 것을 암시하는 새로운 분석 두 가지가 발표되었다. 비록 추가 관측을 통해서 언젠가는 이러한 잡음으로부터 나오는 신호를 발견할지도 모르지만, 지금으로서는 애초의 데이터가 더 이상은 의미 있는 증거를 만들지는 못한다는 것이 이들 독립적인 전문가들의 생각이다.

3월에 남극의 전파망원경인 BICEP2를 이용하여 빅뱅(Big Bang)의 잔광인 CMB, 즉 우주마이크로파배경복사(cosmic microwave background)의 편광에서 희미한 비틀림 패턴을 발견했다고 연구자들은 발표했다. 이 패턴은 초기 우주에 발생된 시공조직의 물결인 원시 중력파의 증거라고 그들은 말했다. 이 발표가 화제가 되었던 이유는 빅뱅 직후에 우주의 크기가 급속히 커졌다고 주장하는 우주팽창 이론을 증명하는 것처럼 보였기 때문이다.

하지만 이번에 독립적인 두 가지 분석논문들의 결과는 CMB 편광에 나타난 그러한 비틀림 패턴은 은하수 은하에 있는 먼지에 의해 쉽게 설명될 수 있을 것이라는 것을 암시하고 있다. “우리의 지금 지식을 토대로 판단했을 때, 중력파에 대한 지지나 반대의 증거는 없다”고 UC버클리의 천체물리학자이자 최근 논문들 중 한 편의 공동저자인 유로스 셀작(Uroš Seljak)은 말했다. 그러나 “비록 우리 연구팀의 주논문이 수많은 교열자들의 의견들을 토대로 교정되어 다시 제출되었지만, 중력파의 증거가 철회되지 않는 것은 확실하다. BICEP2의 결과는 기본적으로 바뀌지 않는다”고 칼텍(California Institute of Technology)의 물리학자이자 BICEP2 실험의 공동책임자인 제임스 복(James Bock)은 말했다.

비판은 BICEP2 팀이 분석에 사용했던 먼지 편광 지도를 재조사했던 뉴욕대(New York University)의 이론물리학자 라파엘 플로거(Raphael Flauger)의 2주 전 발표 막바지에서 나왔다. 아마도 BICEP2 연구팀은 유럽우주국의 플랑크 위성(Planck spacecraft)이 2009년에서 2013년 사이에 수집한 데이터를 집계하여 작성된 지도에서 먼지로 인한 일부 편광을 과소평가했을 것이라는 것이 플로거의 결론이었다. 먼지를 충분히 고려한다면, 중력파를 그 원인으로 추정될 수 있는 신호가 사라지거나 크게 감소된다고 플로거는 말했다. “그 결론은 매우 확실하다고 생각했다. 그런데 지금은 상황이 바뀌었다”고 1980년대에 우주팽창 개념을 처음 제안한 MIT의 우주학자 앨런 구스(Alan Guth)는 플로거의 발표 내용을 알게 된 뒤에 말했다.

그 지도는 BICEP2 연구팀이 자신들의 결과에서 먼지의 역할을 조사하는데 사용된 6가지 모형들 중 단 하나에서만 등장했다. 그러나 ‘arXiv’ 서버에 5월 28일에 게시된 논문에서, 플로거와 프린스턴대(Princeton University) 소속 데이빗 스페르겔(David Spergel)과 콜린 힐(Colin Hill)은 모든 모형들이 은하 먼지에 의해 발생된 전체 편광의 일부인 3.5%~5% 정도를 저평가했다고 말하며 나머지 모형들에 대해서도 의문을 던졌다. BICEP2 팀의 분석 뒤에 발표된 좀 더 자세한 플랑크 지도들을 토대로 한 새로운 정보는 이 일부가 8~15%에 가깝다는 것을 암시한다고 스페르겔은 말했다. 비율이 높은 것은 외삽이라는 것을 그는 인정했으며, 그 이유는 플랑크의 최신 지도는 BICEP2가 조사했던 하늘의 남극 영역을 배제했기 때문이다.

“3.5%와 8%의 차이는 작은 것 같지만, BICEP2에 검출된 신호는 편광 일부의 제곱에 의존하기 때문에 큰 차이가 될 수 있다. 갱신된 수치를 토대로 보면, 중력파 검출의 증거는 없다. 먼지와 일치한다. 그러나 플랑크 팀이 10월에 발표할 것으로 예상되는 더욱 정확한 먼지 지도를 얻을 때까지는 최종 결정을 할 수가 없다”고 스페르겔은 말했다. “먼지는 BICEP2에서 관측된 신호의 전부 혹은 대부분을 설명할 수 있을 것”이라고 프린스턴대의 우주학자 폴 스타인하르트(Paul Steinhardt)는 말했다. 그는 어떤 연구에도 참여하지 않았다. 플로거와 스페르겔 및 힐의 논문을 읽을 시간이 없었다고 복(Bock)은 말했다. 이번 논문의 저자들은 온라인에 게시되기 불과 몇 시간 전에서야 복과 BICEP2 팀의 다른 연구원들에게 논문을 제공했기 때문이다.

두 번째 분석 논문에서는, 셀작과 그의 버클리 동료인 마이클 모르톤슨(Michael Mortonson)이 좀 더 신중한 접근법으로 BICEP2의 결과를 자세히 조사했다. 남극 영역에서 먼지로 인한 편광의 양이 아직 측정되지 않았기 때문에, 셀작과 모르톤슨은 알고 있는 양, 즉 하늘의 서로 다른 공간 규모에 걸쳐 먼지에 의해 방출된 마이크로파의 세기로 자신들의 분석을 한정했다. 먼지의 세기가 남극을 포함하여 하늘의 모든 부분에 걸쳐 동일한 방식으로 변한다고 가정했을 때, BICEP2 신호가 중력파로 인한 것이어야 한다는 분명한 증거를 연구진은 발견하지 못했다.

또한 셀작과 모르톤슨은 BICEP2에서 검출된 신호의 세기가 마이크로파의 주파수에 따라 어떻게 변하는지에 관한 데이터도 재조사했다. BICEP2 팀은 구형 망원경인 BICEP1이 100기가헤르츠에서 기록한 데이터와 비교했을 때, 150기가헤르츠에서 기록된 신호의 세기가 먼지로부터 예측된 세기 패턴과 일치하지 않았다고 주장했었다.  이 발견은 먼지에 비해 중력파의 가능성을 11 : 1로 더 두둔하는 것처럼 보였다. 그러나 BICEP2 팀의 주파수 분석에서는 작은 공간 규모에 대한 데이터가 배제되지 않았다고 셀작과 모르톤슨은 말했다. 그것이 문제가 되는 이유는 작은 규모에서는 거대한 물체로 인한 빛의 구부림 효과인 중력렌즈 효과가 중력파에 의해 큰 공간 규모에 남겨지는 비틀림 편광 패턴과 정확히 닮아있기 때문이라고 셀작은 말했다. “중력렌즈 신호를 고려하면, 원시 중력파 신호는 먼지에 비해 2 : 1 미만의 비율로 선호된다. 다시 말하면, 전혀 의미 있는 비율이 아니다”라고 셀작은 말했다.

셀작과 모르톤슨의 논문에 대한 여러 논평 요청에 대해 BICEP2 팀은 대답하지 않았다. BICEP2 팀이 건설한 남극의 망원경인 켁배열(Keck Array)에서 조만간 나올 것으로 예상되는 새로운 데이터가 BICEP2 신호의 진면목을 조사할 수단을 제공할 수 있을 것이라고 셀작은 말했다. 복과 BICEP2 팀의 동료들은 올 가을에 나올 플랑크 지도를 간절히 기다리고 있으며, 켁배열로부터 95기가헤르츠와 100기가헤르츠 데이터를 이미 입수했다고 말했다.

* 그림 : 은하 먼지가 마이크로파 복사를 어떻게 산란시키는지에 관한 플랑크 위성의 예비 데이터.                
         
자료를 가져가실 때에는 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』을 밝혀 주시기 바랍니다.




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