우주를 팽창시키는 ‘암흑 에너지’가 약해지고 있다는 연구 결과가 나왔다. 이를 두고 천문학계에서는 오랜 수수께끼였던 암흑 에너지의 성질이 서서히 밝혀지고 있으며, 기존의 우주론을 완전히 다시 써야 할 수도 있다고 분석했다.
24일 한국천문연구원에 따르면 암흑에너지분광장비(DESI) 국제 공동 연구진은 은하와 퀘이사(극도로 멀지만 중심부에 블랙홀이 있는 밝은 물체)를 포함하는 3년여 간의 데이터 약 1500만개를 활용해 암흑에너지의 밀도가 약해지고 있다고 발표했다.
DESI는 우주 전체 에너지의 대부분을 차지하는 암흑에너지의 정체를 밝히기 위해 분광기로 우주 3차원 지도를 만드는 대규모 국제공동 프로젝트다. 한국을 비롯한 11개 국가, 70개 기관의 연구자 약 900명이 참여하고 있다.
DESI 국제공동연구진은 미국 애리조나 주 키트피크 산꼭대기에 위치한 5000개의 작은 광섬유 로봇들로 구성된 다채널분광기를 장착한 망원경으로 먼 은하에서 나온 빛의 스펙트럼을 정밀하게 관측하고 암흑에너지를 연구하고 있다.
암흑에너지는 현재 우주 전체 에너지의 약 70%를 차지하는 요소로, 우주의 팽창 속도를 더 빠르게 하는 역할을 한다. 우주의 역사를 설명하는 이론인 표준 우주론 모형에 따르면 우주 가속팽창의 원인인 암흑에너지는 일정하게 유지되는 상수로 취급된다.
하지만 이번 연구 결과에서 우주를 팽창시킨 암흑에너지의 밀도가 지난 45억년 동안 10%씩 약해졌음을 확인했다. 이번 분석 결과대로라면 우주의 팽창 가속도가 점점 줄고 있어 현재 표준 모형을 수정해야 할 수 있다.
DESI는 물질이 우주 전체에 어떻게 퍼져 있는지를 연구해 암흑에너지의 영향을 추적한다. 아주 초기 우주의 사건은 물질이 어떻게 분포되는지에 미묘한 패턴을 남겼는데, 이는 ‘중입자 음향 진동(BAO)’이라고 지칭한다.
이 BAO 패턴은 표준 눈금자 역할을 하며, 그 크기는 우주가 확장되는 방식에 직접적으로 영향을 받는다. 다른 거리에서 눈금자를 측정하면 연구진은 역사 전반에 걸쳐 암흑에너지의 밀도를 알 수 있다.
연구진은 이 DESI 데이터에 추가로 우주 마이크로파 배경 복사, 초신성, 약한 중력 렌즈 관측자료를 결합했다. 그 결과 표준 우주론 모형인 LCDM(람다 차가운 암흑물질 이론)은 결합된 관측자료와 잘 들어맞지 않는다는 것을 확인했다.
LCDM은 우주상수에 해당하는 암흑에너지가 존재하고 대부분의 물질은 차가운 암흑물질로 이루어져 있다는 모형을 뜻한다. 현대 우주론의 표준 이론으로 오랫동안 자리 잡아왔다.
DESI 국제 공동 연구진은 시간에 따라 변화하는 암흑에너지 모형이 표준 우주론 모형인 LCDM보다 관측자료를 더 잘 설명해 준다고 설명했다.
이번 DESI 3년차 데이터 분석에는 우리나라에서도 천문연의 샤피엘루 알만 박사, 데이비드 파킨슨 박사, 윌리엄 매튜슨 박사, 쿠샬 로드하 박사과정 학생을 포함한 약 200명의 연구진이 참여했다.
특히 천문연은 DESI 3년차 관측 결과 발표의 주요 논문 중 하나인 ‘확장 암흑에너지 분석’을 주도했다. 쿠샬 로드하 천문연/과학기술연합대학원대학교(UST) 박사과정 학생이 본 논문의 주저자다.
DESI 3년차 데이터는 우주상수보다 시간에 따라 변화하는 암흑에너지를 더 선호한다는 것을 시사한다. DESI는 현재 총 5년 중 4년차 관측을 수행 중이며, 프로젝트가 끝날 때까지 약 4000만 개의 은하와 퀘이사를 측정할 계획이다.
이번 연구결과에 대해 이형목 중력파우주연구단 단장(서울대학교 물리천문학부 교수)은 “현대 우주론에서 가장 큰 수수께끼중 하나인 암흑에너지의 성질이 서서히 밝혀지고 있는 것으로 보인다”고 설명했다.
샤피엘루 알만 천문연 박사는 “우리는 현재 암흑에너지가 우주상수가 아닐 수도 있다는 엄청난 발견의 시작을 보고 있다”며”이 발견은 우주론의 표준 모형을 바꾸고, 이론 물리의 기반을 흔들 것”라고 강조했다.
쿠샬 로드하 천문연·UST 박사과정 학생은 “최근 DESI 결과는 우주 에너지의 대부분을 차지하는 암흑에너지를 새롭게 바라봐야 한다는 점을 시사한다”며 “앞으로 막대한 관측자료가 쏟아짐에 따라 우주론에 여러 흥미로운 발견이 이루어질 것”이라고 말했다.
