우주 ‘마이크로파’를 15년 동안 관측했던 남미 칠레의 ‘아타카마 우주론 망원경’의 마지막 데이터를 분석한 결과 ‘표준 우주론’을 대체하려는 30개 이상의 대체 우주론이 대부분 관측 정보와 맞지 않으며 여전히 표준 우주론이 강력한 설명론이라는 결론이 나왔다. 사진 출처 아타카마 우주론 망원경 홈페이지



전파보다 파장이 짧은 우주 ‘마이크로파’를 15년 동안 관측했던 남미 칠레의 ‘아타카마 우주론 망원경(ACT)’이 2022년 운영을 종료한 뒤 마지막 데이터를 쏟아냈다. 데이터 분석 결과 알라딘게임 ‘표준 우주론’을 대체하려는 30개 이상의 대체 우주론이 대부분 관측 정보와 맞지 않으며 여전히 표준 우주론이 강력한 설명론이라는 결론이다. ACT가 수명을 다하며 우주론 연구의 방향을 정해준 셈이다.

국제공동연구팀이 ACT의 마지막 데이터 ‘DR6’를 분석한 연구논문 3편은 24일(현지 시간) 국제학술지 ‘우주론 바다이야기룰 및 천체입자물리학 저널(JCAP)’에 실렸다. 3월 사전 인쇄본으로 공개된 내용이 공식 저널에 실린 것이다.
● ‘허블 텐션’ 재확인 남미 칠레의 해발 5000m에 미국 주도로 세워진 전파망원경 ACT는 2007년부터 가동을 시작했다. ACT는 138억 년 전 ‘빅뱅’이 남긴 잔광이자 마이크로파인 우주배경복사(CMB)를 관측해왔다. 빅 백경게임랜드 뱅 직후의 우주는 극도로 뜨거워 전자와 원자핵이 따로 존재하는 플라스마 상태였다. 이 때문에 빛은 사방으로 흩어지며 거의 진행하지 못했다. 시간이 지나 온도가 낮아지며 빛이 방해받지 않고 우주 공간을 이동할 수 있게 됐다. 이렇게 투명해진 우주에서 풀려나온 빛이 바로 오늘날까지 하늘 전체를 메우고 있는 CMB다. 일종의 우주의 ‘아기 사진’인 셈이다.
바다이야기슬롯 ACT는 우주가 탄생한 지 불과 약 38만 년이 지난 시점에 방출된 CMB를 관측했다. CMB 복사는 우주 전체에 균일하게 퍼져 있고 온도가 2.7K(켈빈)로 거의 같지만 지역에 따라 0.03K 미만의 차이가 있다. 이를 이용해 우주의 나이나 밀도 등을 포함한 우주의 구조와 진화, 팽창률 등을 계산한다. 유럽우주국(ESA)이 2009년 발사 황금성슬롯 한 위성 망원경 ‘플랑크(Planck)’도 CMB를 관측했지만 해상도가 낮아 ACT의 고해상도 데이터가 이를 보완하는 역할을 했다.
연구팀은 DR6 데이터를 이용해 CMB의 미세한 특징과 ‘편광’이 담긴 고해상도 데이터를 기반으로 새로운 CMB 지도를 만들었다. 편광은 빛의 ‘진동 방향’이 특정한 패턴을 가지는 현상이다. 나아가 지도와 DR6를 통해 우주 밀도, 곡률, 암흑물질 비율 등 우주의 기본 성질을 계산했다.
그 결과 천문학계 최대 미스터리 현상인 ‘허블 텐션’이 재차 확인됐다. 허블 텐션이란 관측 방식에 따라 ‘허블 상수’가 다르게 측정되는 현상이다. 허블 상수는 미국 천문학자 에드윈 허블이 우주가 팽창한다는 발견을 학계에 보고하면서 우주의 팽창 속도를 계산할 때 제시한 값이다. 허블상수는 우주가 팽창하는 속도를 나타내며 우주 나이와 반비례한다.
문제는 다양한 거리에 놓인 여러 은하들이 각각 얼마나 빨리 멀어지는지 후퇴 속도와 거리를 비교하는 방법과 CMB의 분포를 이용한 방법으로 계산한 허블 상수 값이 서로 다르다는 점이다. 연구팀은 CMB를 관측한 플랑크와 ACT의 허블 상수 값이 일치한다고 밝혔다. ACT의 CMB 온도·편광 데이터 값도 플랑크가 관측한 값과 유사했다. 허블 텐션은 측정 실수일 수 있다는 의견도 있었지만 이번 결과를 통해 실제 우주 현상이라는 점이 재확인된 것이다. ● 일부 수정한 표준 우주론이 답일까
허블 텐션의 존재는 표준 우주론이라 불리는 ‘람다 차가운 암흑물질(LCDM) 우주론’으로 설명할 수 없다. 표준 우주론은 우주가 어떻게 생기고 어떤 성분으로 이루어져 있으며 지금으로 발전했는지를 하나의 큰 시나리오로 설명할 수 있다는 것을 전제로 한다. 천문학자들은 표준 우주론을 바탕으로 CMB 값을 계산한다. 하지만 초기 우주를 기준으로 계산한 값과 현재 우주에서 직접 측정한 값이 다르다는 사실이 허블 텐션을 통해 드러났다. 표준 우주론이 완벽하지 않다는 의미다.
연구팀은 ACT의 데이터를 바탕으로 그간 표준 우주론을 대체하기 위해 등장한 여러 이론 30여 개의 타당성을 분석했다. 이들 이론은 대부분 표준 우주론에 새로운 아이디어를 붙인 확장 이론이다. 초기 우주 때 암흑에너지가 많았다, 암흑에너지와 암흑물질이 상호작용 했다, 중력 법칙이 변한다 등 다양한 가설이 있다. 연구팀은 계산 결과 ACT의 CMB 관측 결과와 이 같은 이론들이 맞지 않다고 밝혔다.
연구에 참여한 에르미니아 칼라브레세 카디프대 연구원은 “우주론에 대한 ‘이론적 놀이터’를 축소했지만 좋은 일”이라며 “답이 안 나오는 이론에 더 이상 에너지를 낭비하지 않아도 된다는 의미”라고 말했다. 표준 우주론을 대체하기 위한 새로운 이론을 만들기보다는 표준 우주론을 기반으로 약간의 수정을 하는 연구를 하는 것이 주요 연구방향이 된 것이라고 설명했다.
ACT의 뒤를 이어 똑같이 칠레에 있는 사이먼스 천문대의 전파망원경이 CMB를 관측함으로써 CMB와 우주론의 남은 미스터리를 해결할 것으로 보인다.
이채린 동아사이언스 기자 rini113@donga.com