[물리] 동적인 암흑 에너지

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2012-11-16 가설화된 암흑 에너지가 가속도로 팽창하는 우주 관찰을 설명할 수 있다 하더라도, 암흑 에너지의 특정 속성은 여전히 수수께끼로 남아 있다. 과학자들은 암흑 에너지가 시간과 공간에 걸쳐 동질한 고정 우주 상수거나, 또는 에너지 밀도가 시간과 공간에 따라 변하는 역동적 독립체이거나, 둘 중 하나의 형태일 것으로 추측한다.
여러 가지 실험을 분석한 자료를 연구함으로써, 연구진은 암흑 에너지가 역동적일 수 있다는 제안에 근거한 모델을 개발했다. 영국 포츠머스 대학(University of Portsmouth)의 Gong-Bo Zhao와 Robert G. Crittenden, 중국 과학 아카데미의 Xinmin Zhang, 사이먼 프레이저 대학교(Simon Fraser University)의 Levon Pogosian은 역동적 암흑 에너지 증거에 관한 그들의 연구 논문을 Physical Review Letters 최근호에 발표했다. 그들의 논문에서, 연구진은 역사적으로 매우 어려운 작업으로 알려진 암흑에너지의 상태 방정식에 초점을 맞추었다. 이 상태 방정식은 어떻게 우주가 팽창하는지를 묘사하며, 과학자들은 이 팽창의 값을 찾기 위하여 실 관측된 데이터를 사용했다.

상태 방정식의 진정한 가치를 아는 것은 암흑 에너지뿐만 아니라 중력을 이해하는 데도 도움을 줄 수 있다. 주요 질문은 상태 에너지의 가치가 -1과 같은지에 관한 것이다. 왜냐하면, 이는 어쩌면 우주 규모에서 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 성립하지 않을 수 있기 때문이다. 일부 모델에서 -1에 가까운 상태 방정식을 추정했으며, 이는 양자 중력 이론에 관한 연구를 유발했다. 이 새로운 연구에서, 연구진의 주요 연구 결과는 역동적 암흑 에너지 모델에 약간의 우선권을 제공할 수 있는 최근의 관찰이다. 이 모델의 상태 방정식은 낮은 적색 변이에서는 -1보다 낮고, 높은 적색 변이에서는 -1보다 크며, 또한 어는 정도까지는 -1과 같은 상태를 나타내는 것이다. “만약 이 결과가 확인된다면, 이는 암흑 에너지의 내재적 자유도를 추가함을 의미하며, 우주론 규모에 관한 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 붕괴에 대한 명백한 증거를 제시하는 것”이라고 Zhao가 말했다.

이 결과를 확인하기 위하여, 연구진은 최근 초신성과 우주 마이크로파 배경복사, 적색 변이 공간 왜곡, 그리고 바리온 음향 진동 측정에 관한 우주론적 데이터를 결합했다. 그리고서 그들은 이 데이터에 새로운 재구성법을 적용하였는데, 이는 일부 다른 재구성법에서 일어나는 편견을 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있다. “이 연구의 가장 큰 의의는 암흑 에너지가 어떻게 발달하는지에 관한 임의적 모델을 배제하고 암흑 에너지의 역동성 여부를 결정하는 수단으로서의 도구를 시연한데 있다. 이를 현재 데이터에 적용했을 때, 이들 역동적 모델들은 그들의 광범위한 적응성을 염두에 둔다고 하더라고, 너무나 잘 맞았다”고 Zhao가 말했다.
연구진은 이 모델을 다른 광범위한 암흑 에너지 모델과 비교하고, 어떤 모델이 그들이 결합한 데이터와 가장 잘 맞는지를 결정한다. 역동적 암흑 에너지 모델이 약간의 우선권이 있다 하더라도, 연구진은 역동적 모델과 전혀 근접하지 않은 모델까지도 우주 상수를 이용하여, 데이터에 적용했다. 결과는 여전히 멀리 있지만, 과학자들은 미래의 데이터가 높은 정확도로 모델의 간격을 좁힐 수 있으리라 기대한다. 그들은 플랑크 우주선(2009년도에 발사되었으며, 2013년 첫 번째 데이터가 가능)과 유클리드 우주선(2019년 발사 예정)이 우주 팽창을 밀접하게 관찰하여, 이 암흑 에너지 모델에 도움이 되기를 희망한다.

연구진이 어려운 암흑 에너지 상태 방정식의 진화를 재구성하는 데는 크게 두 가지 이유가 있다. “첫째는 우주 팽창의 속도 변화를 관찰하는 데는 어려움이 있다. 팽창 속도가 가속한다는 것을 인식하는 데에는 약 70에서 80년이 걸린다. 또한, 우리가 그것을 측정하는데 사용할 수 있는 신뢰할 만한 표준 촉광이나 표준치를 찾기가 어렵다. 따라서 우리는 현재 매우 작은 차이를 예측하는 모델들 간을 식별할 수밖에 없다. 설득력 있는 결과를 위해서는, 유클리드 위성에서 나온 미래의 데이터가 우리에게 꼭 필요하다”고 Crittenden이 말했다. “두 번째 문제는 이 가속화를 설명할 수 있는 명백한 대안의 결여와 관련이 있다. 그것이 어떻게 생겼는지 알지 못하면서, 그것을 인식하기는 매우 어렵다. 이전의 연구는 역동 모델에 관한 특정 형태를 가정하려는 경향이 있었지만, 이들 가정이 만약 잘못된 것이라면, 그것들은 우리에게 잘못된 정보와 전체적인 역동성을 볼 기회를 뺏을 수 있다. 우리는 소수 가정만을 만들려고 노력한다. 이는 우리에게 가능성 있는 더 큰 수준의 모델을 재구성할 기회를 준다. 연구 질과 데이터의 양을 향상시킴으로써, 우리는 광범위한 역동적 모델을 확인하거나 가려낼 수 있다. 이는 암흑 에너지의 본질을 이해하는 데에 매우 중요한 사항”이라고 Crittenden이 덧붙였다.

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