물리 개정된 중력 이론 제안

2014.06.28 12:13

개정된 중력 이론 제안 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2014060901&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-06-26

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1916년 이후, 일반 상대성 이론은 많은 관측으로부터 설명될 수 있는 중력 이론을 제공하였다. 그 중에는 자유 낙하 물체, 무거운 물체에 의한 중력 렌즈, 그리고 블랙홀에 이르기까지 다양하다. 거의 100년 동안에 걸친 이론의 성공에도 불구하고, 과학자들은 특정한 관측을 더 잘 설명하기 위해서 일반 상대성 이론을 개정할 방법들을 찾고 있다. 특히 우주의 가속과 관련된 연구가 활발하다. 비록 이런 개정들이 서로 매우 다를 수 있지만, 그들은 일반적으로 개정된 중력의 카테고리 안에 들어간다.

모든 과학적 예측과 마찬가지로, 개정된 중력은 검증을 위해서 실험적으로 테스트되어야 한다. 개정된 중력의 존재를 밝힐 수 있는 우주의 중력 효과를 관측하여 테스트할 디자인이 최근 큰 진척을 이루었지만, 아직도 그것의 존재에 대한 확신적인 증거는 없다. 이제 Physical Review Letters 저널에 영국의 연구진은 잘 분리된 은하가 서로 접근하려고 하는 경향의 측정에 기반한 개정된 중력의 새로운 테스트를 제안하였다. 이런 이동은 은하 짝 속도라고 불린다.

이들 물리학자들은 광범위한 질량 영역을 가진 많은 은하의 짝속도 분포는 일반 상대성 원리에서 예측한 것으로부터 모델에 따라 5에서 10까지 표준 편차의 크기로 상당히 벗어나 있다는 것으로 보여주었다. 이런 거대한 차이 때문에, 이 제안된 테스트는 잠재적으로 현재까지 개정된 중력을 검증할 수 있는 가장 강력한 증거를 잠재적으로 제공하여 줄 수 있을 것으로 보인다. 개정된 중력 이론은 최근에 많은 관심을 끌고 있다고 폴란드 바르샤바 대학과 영국 두람 대학의 연구진은 말하였다.

이런 종류 이론의 대부분은 우주의 나중 팽창에 대한 다른 설명을 제공하여 준다. 반면에 아인슈타인의 우주론적 상수가 이런 가속을 구동하는 고전적인 일반 상대성 관점과 연관된 일부 개념적인 문제를 피할 수 있게 해준다. 고전적인 일반 상대성 관점에서는 매우 작은 값의 우주 상수를 가져야만 하지만, 이것은 양자장 이론과 모순된다. 개정된 중력 이론은 대안적인 설명을 제공하지만, 중력에 대한 이런 개정된 이론의 대부분은 가속된 팽창을 설명할 수 있을 뿐만 아니라 은하 형성과 동역학에 적합한 우주 스케일에서 중력 향상에 대한 무시할 수 없는 값을 만들어 낼 수 있다. 따라서 일반 상대성 이론과 개정된 중력 이론 시나리오 사이를 구별할 수 있는 관측 증거를 찾는 것은 매우 중요하다.

비록 개정된 중력 이론의 가능한 종류는 밝은 은하 집단과 연관되어 있다. 연구진은 이런 관측은 은하 형성과 집단에 대한 비선형 중입자 물리와 연관된 모호함으로 제한적이라고 말하였다. 이런 복잡함은 연구진이 일반 상대성과 개정된 이론 시나리오를 구별하는데 도움을 줄 수 있는 분명하고 측정 가능한 신호 발견을 매우 어렵게 한다. 논문에서, 이들 연구진은 은하의 특이한 속도는 중력 이론의 중요한 신호를 포함하고 있다는 것을 보여주었다고 말하였다.

중력 속도는 은하 형성의 비선형 중입자 물리학의 효과에 훨씬 덜 영향을 받는다. 이들 연구진은 모든 질량의 은하에 대해서 개정된 신호가 존재하고 또한 거대 우주 스케일 또는 작은 우주 스케일 상에서 모두 측정될 수 있다고 논문에서 주장하였다. 우주 속도장의 통계와 연관된 이런 독특한 특성 때문에, 이런 종류의 관측은 일반 상대성 또는 개정된 중력의 분명한 증거이다.

개정된 중력 신호의 물리적 설명이 두 가지 방식으로 측정될 수 있다. 그 이유는 그것이 두 개의 다른 관측 데이터를 포함하고 있기 때문이다. 하나의 세트는 특이한 속도의 은하 데이터이며, 다른 하나는 이른바 적색 편이 공간에서 은하의 클러스터링이다. 후자의 경우, 은하 위치들은 그것들의 특이한 속도에 의해서 영향을 받으며 전자의 경우 은하 속도는 직접적으로 측정된다.

두 개의 데이터 세트는 모두 다른 방법을 필요로 한다고 연구진은 말하였다. 그러나 현재 데이터의 품질은 연구진이 논의하는 신호의 분명한 측정을 가능하게 해준다. 적색 편이 공간 데이터는 매우 풍부하지만, 그것은 일반 상대성 이론과 개정된 이론의 예측된 신호를 적합하게 모델링해야 된다는 추가적인 이론적 연구를 필요로 한다. 속도 데이터는 직접적으로 해석될 수 있지만, 그것은 훨씬 더 많은 관측 오류를 포함할 수 있다. 연구진이 이론적으로 예측한 신호를 추출하기 위한 프로그램 개발은 이미 진행 중이다.

일반 상대성 이론의 개정된 버전이 원래 버전 보다 더 잘 관측된 데이터를 설명할 수 있다는 것이 실험적으로 확인되면, 이 결과들은 일부 기본적인 우주론적 질문에 답을 제공하여 줄 수 있는 문을 열어 줄 수 있을 것이다. 표준 우주 모델의 핵심으로 인정받고 있는 일반 상대성은 태양 시스템에 상응하는 스케일에서만 테스트되고 있다. 아인슈타인의 이론은 우주 스케일에서 결코 직접적으로 테스트된 적이 없다.

일반 상대성 이론이 중간 크기의 우주 스케일에서 적합한 중력 이론이라는 것을 확인하는 것은 매우 중요하다. 반면에, 측정된 신호가 일반 상대성 이론이 관측된 은하 움직임을 설명하는데 충분하지 않다는 것을 암시하면, 현대 물리학과 우주론의 근본적인 패러다임을 바꾸어야 할 것이다. 이들의 연구 결과는 "Clear and Measurable Signature of Modified Gravity in the Galaxy Velocity Field"라는 제목으로 Physical Review Letters 저널에 발표되었다.

첨부그림 1: 연구진이 어떻게 은하의 특이한 속도를 관측할 수 있는지를 보여주는 개략도.
첨부그림 2: 거대 스케일 우주 밀도파의 얇은 단면이 상대성 이론과 다른 3개의 개정된 중력 모델에 대해서 묘사되었다. 박스의 측면은 약 360Mpc에 해당한다.

[출처] http://phys.org/print322488797.html

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