우주론의 위기:새로운 물리학이 눈앞에 다가올 수 있을까?

지난 몇 년 동안 일련의 논쟁이 잘 확립된 우주론 분야를 뒤흔들었습니다. 간단히 말해서, 우주의 표준 모델에 대한 예측은 최근의 일부 관측과 상충되는 것으로 보입니다.

이러한 관측이 편향된 것인지, 아니면 전체 우주의 구조와 진화를 예측하는 우주론적 모델을 다시 생각해 볼 필요가 있는지에 대한 열띤 논쟁이 벌어지고 있습니다. 어떤 사람들은 우주론이 위기에 처해 있다고 주장하기도 합니다. 지금은 어느 쪽이 이길지 알 수 없습니다. 하지만 흥미롭게도 우리는 그 사실을 알아내기 직전입니다.

공평하게 말하면 논쟁은 과학적 방법의 일반적인 과정일 뿐입니다. 그리고 수년에 걸쳐 표준 우주론 모델이 그 역할을 해왔습니다. 이 모델은 우주가 68.3%의 "암흑 에너지"(우주의 팽창을 가속시키는 미지의 물질), 26.8%의 암흑 물질(알 수 없는 형태의 물질), 4.9%의 일반 원자로 구성되어 있음을 시사합니다. 이는 빅뱅 복사의 잔광인 우주 마이크로파 배경에서 매우 정확하게 측정되었습니다.

이 기사는 위기에 처한 우주론 시리즈의 일부입니다. 오늘날 우주론자들이 직면하고 있는 가장 큰 문제를 밝히고 이를 해결하는 데 미치는 영향에 대해 논의합니다.

그것은 우주의 크고 작은 규모에 걸쳐 수많은 데이터를 매우 성공적으로 설명합니다. 예를 들어, 우리 주변의 은하 분포, 우주 탄생 후 처음 몇 분 동안 만들어진 헬륨과 중수소의 양 등을 설명할 수 있습니다. 아마도 가장 중요한 것은 우주 마이크로파 배경을 완벽하게 설명할 수도 있다는 것입니다.

이로 인해 "일치 모델"이라는 명성을 얻었습니다. 그러나 일관되지 않은 측정의 완벽한 폭풍, 즉 우주론에서 알려진 "긴장"은 이제 이 오랜 모델의 타당성에 의문을 제기하고 있습니다.

불편한 긴장감

표준 모델은 암흑 에너지와 암흑 물질의 본질에 대해 특별한 가정을 합니다. 그러나 수십 년간의 집중적인 관찰에도 불구하고 우리는 여전히 암흑 물질과 암흑 에너지가 무엇인지 알아내는 데 더 가까워진 것 같지 않습니다.

리트머스 테스트는 소위 허블 장력입니다. 이는 현재 우주의 팽창률인 허블상수와 관련이 있다. 가까운 지역 우주에서 세페이드라고 불리는 근처 은하계의 맥동하는 별까지의 거리에서 측정할 때 그 값은 73km/s/메가파섹입니다(Mpc는 은하간 공간의 거리를 측정하는 단위입니다). 그러나 이론적으로 예측하면 그 값은 67.4km/s/Mpc이다. 그 차이는 크지 않을 수 있지만(8%에 불과) 통계적으로 유의미합니다.

허블 장력은 약 10년 전에 알려졌습니다. 당시에는 관찰이 편향되었을 수 있다고 생각되었습니다. 예를 들어, 세페이드 성단은 매우 밝고 눈에 잘 띄지만 다른 별들과 함께 밀집되어 있어 더욱 밝게 보일 수 있습니다. 이는 모델 예측에 비해 허블 상수를 몇 퍼센트 더 높게 만들어 인위적으로 긴장감을 조성했을 수 있습니다.

별을 개별적으로 분리할 수 있는 제임스 웹 우주망원경(JWST)의 등장으로 우리는 이러한 긴장감에 대한 답을 얻을 수 있기를 바랐다.

실망스럽게도 이런 일은 아직 일어나지 않았습니다. 천문학자들은 이제 세페이드 외에 두 가지 다른 유형의 별(적색거성가지끝별(TRGB) 별과 J 영역 점근거성가지별(JAGB) 별로 알려짐)을 사용합니다. 그러나 한 그룹에서는 JAGB 및 TRGB 별의 값이 우주론적 모델에서 예상되는 값에 매우 가깝다고 보고한 반면, 다른 그룹에서는 관측 결과에 여전히 불일치가 있다고 주장했습니다. 한편, 세페이드 관측은 계속해서 허블 장력을 보여줍니다.

이러한 측정은 매우 정확하지만 각 측정 유형과 고유하게 연관된 일부 효과로 인해 여전히 편향될 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이는 각 유형의 별에 대해 다른 방식으로 관측의 정확도에 영향을 미칩니다. 정확하지만 부정확한 측정은 항상 요점을 놓치는 사람과 대화를 시도하는 것과 같습니다. 상충되는 데이터 간의 불일치를 해결하려면 정밀하고 정확한 측정이 필요합니다.

좋은 소식은 허블 장력이 이제 급속도로 발전하고 있다는 것입니다. 아마도 우리는 내년쯤에 이에 대한 답을 얻게 될 것입니다. 예를 들어 더 멀리 있는 은하계의 별을 포함하여 데이터의 정확성을 높이면 이 문제를 해결하는 데 도움이 됩니다. 마찬가지로, 중력파로 알려진 시공간 잔물결 측정도 상수를 찾는 데 도움이 될 수 있습니다.

이것은 모두 표준 모델을 입증할 수 있습니다. 아니면 뭔가 빠진 것이 있다는 암시를 줄 수도 있습니다. 아마도 암흑 물질의 본질이나 특정 규모에서 중력이 작용하는 방식은 우리가 지금 믿고 있는 것과 다를 것입니다. 하지만 모델을 할인하기 전에, 그 비교할 수 없는 정밀도에 감탄해야 합니다. 130억 년이 넘는 진화 과정을 추정하면서 최대 몇 퍼센트만 빗나가는 것뿐입니다.

관점에서 보면 태양계 행성의 시계태엽 움직임도 10억 년 미만 동안만 안정적으로 계산될 수 있으며 그 이후에는 예측할 수 없게 됩니다. 표준 우주 모델은 특별한 기계입니다.

허블 장력은 우주론의 유일한 문제가 아닙니다. 'S8 긴장감'으로 알려진 또 다른 현상도 같은 규모는 아니지만 문제를 일으키고 있습니다. 여기서 모델은 우주의 물질이 우리가 실제로 관찰하는 것보다 약 10% 정도 더 많이 모여 있어야 한다고 예측함으로써 매끄러움 문제를 안고 있습니다. 물질의 '뭉침'을 측정하는 방법에는 다양한 방법이 있습니다. 예를 들어 시선을 따라 개입하는 암흑 물질로 인해 발생하는 은하계 빛의 왜곡을 분석하는 등의 방법이 있습니다.

현재 커뮤니티에서는 우주론적 모델을 배제하기 전에 관측의 불확실성을 먼저 해결해야 한다는 합의가 있는 것 같습니다. 이러한 긴장을 완화할 수 있는 한 가지 가능한 방법은 은하계에서 가스풍의 역할을 더 잘 이해하는 것입니다. 가스풍은 물질의 일부를 밀어내어 더 매끄럽게 만들 수 있습니다.

작은 규모의 덩어리 측정이 더 큰 규모의 측정과 어떤 관련이 있는지 이해하면 도움이 됩니다. 관찰을 통해 암흑 물질을 모델링하는 방법을 변경할 필요가 있음을 시사할 수도 있습니다. 예를 들어, 표준 모델이 가정하는 것처럼 완전히 차갑고 느리게 움직이는 입자로 만들어지는 대신 암흑 물질은 일부 뜨겁고 빠르게 움직이는 입자와 혼합될 수 있습니다. 이는 후기 우주 시대의 덩어리 증가를 늦추고 S8의 긴장을 완화할 수 있습니다.

JWST는 표준 모델에 대한 다른 과제를 강조했습니다. 그 중 하나는 초기 은하가 예상했던 것보다 훨씬 더 거대해 보인다는 것입니다. 일부 은하계는 빅뱅 이후 10억 년이 채 지나지 않아 형성되었음에도 불구하고 무게가 오늘날 은하수만큼 클 수 있으며, 이는 질량이 덜 커야 함을 시사합니다.

그러나 이 놀라운 결과에 대한 다른 가능한 설명이 있을 수 있기 때문에 우주론적 모델에 대한 의미는 이 경우에 덜 명확합니다. 이 문제를 해결하는 열쇠는 은하계의 별 질량 측정을 개선하는 것입니다. 이를 직접 측정하는 것은 불가능하며 대신 은하계에서 방출되는 빛을 통해 이러한 질량을 추론합니다.

이 단계에는 질량을 과대평가할 수 있는 몇 가지 단순화된 가정이 포함됩니다. 최근에는 이 은하계의 별에서 나오는 빛 중 일부가 강력한 블랙홀에 의해 생성된다는 주장도 제기되었습니다. 이는 이 은하계가 결국 그렇게 거대하지 않을 수도 있음을 의미합니다.

대체 이론

그렇다면 우리는 지금 어디에 서 있는가? 일부 긴장은 더 많은 더 나은 관측으로 곧 설명될 수 있지만, 우주론적 모델을 공격하는 모든 과제에 대한 해결책이 있을지 여부는 아직 명확하지 않습니다.

하지만 모델을 수정하는 방법에 대한 이론적 아이디어는 부족하지 않았습니다. 아마도 수백 개에 달할 정도로 너무 많을 것입니다. 이는 모든 것을 탐구하고자 하는 이론가에게는 당혹스러운 작업입니다.

가능성은 많습니다. 아마도 우리는 암흑 에너지의 본질에 대한 우리의 가정을 바꿔야 할 것입니다. 아마도 이는 최근 일부 측정에서 제안된 것처럼 시간에 따라 변하는 매개변수일 것입니다. 아니면 초기에 또는 반대로 후기에 우주의 팽창을 촉진하기 위해 모델에 암흑 에너지를 더 추가해야 할 수도 있습니다. 우주의 대규모 규모에서 중력이 작용하는 방식을 수정하는 것(수정 뉴턴 역학(MOND)이라는 모델에서 수행되는 것과는 다름)도 선택 사항일 수 있습니다.

그러나 지금까지 이러한 대안 중 어느 것도 표준 모델이 할 수 있는 광범위한 관찰을 설명할 수 없습니다. 더 걱정스러운 점은 그 중 일부는 한 가지 긴장을 해소하는 데 도움이 되지만 다른 긴장을 악화시킬 수도 있다는 것입니다.

이제 우주론의 가장 기본적인 교리에도 도전하는 모든 종류의 아이디어에 대한 문이 열려 있습니다. 예를 들어, 우리는 우주가 매우 큰 규모에서 "균질하고 등방성"이라는 가정을 포기해야 할 수도 있습니다. 즉, 우주는 모든 관찰자에게 모든 방향에서 동일하게 보이고 우주에는 특별한 점이 없다는 것을 의미합니다. 다른 사람들은 일반 상대성 이론에 대한 변화를 제안합니다.

어떤 사람들은 관찰 행위에 우리와 함께 참여하거나 우리가 보느냐 안 보느냐에 따라 그 모습이 바뀌는 사기꾼 우주를 상상하기도 합니다. 우리가 아는 일이 원자와 입자로 이루어진 양자 세계에서 일어난다는 것입니다.

시간이 지나면 이러한 아이디어 중 상당수가 이론가들의 호기심 캐비닛으로 이관될 가능성이 높습니다. 그러나 그 동안 그들은 "새로운 물리학"을 테스트하기 위한 비옥한 기반을 제공합니다.

이것은 좋은 일입니다. 이러한 긴장에 대한 답은 의심할 바 없이 더 많은 데이터에서 나올 것입니다. 앞으로 몇 년 동안 JWST, 암흑 에너지 분광 장비(DESI), Vera Rubin Observatory 및 Euclid 등의 실험에서 얻은 강력한 관찰 결과가 오랫동안 기다려온 답을 찾는 데 도움이 될 것입니다.

한편으로는 더 정확한 데이터와 측정의 체계적 불확실성에 대한 더 나은 이해를 통해 표준 모델의 안심할 수 있는 편안함을 얻을 수 있습니다. 과거의 어려움에서 모델은 입증되었을 뿐만 아니라 강화될 수도 있으며, 우주론은 정확하고 정확한 과학이 될 것입니다.

그러나 균형이 반대 방향으로 기울면 우리는 새로운 물리학을 발견해야 하는 미지의 영역으로 안내될 것입니다. 이는 1990년대 후반 우주의 가속 팽창 발견과 유사한 우주론의 주요 패러다임 전환으로 이어질 수 있습니다. 그러나 이 길에서 우리는 우주의 가장 큰 미해결 미스터리 중 두 가지인 암흑 에너지와 암흑 물질의 본질을 완전히 고려해야 할 수도 있습니다.

Andreea Font, 이론 천체 물리학 독자, 리버풀 존 무어스 대학교

이 기사는 크리에이티브 커먼즈 라이센스에 따라 The Conversation에서 재출판되었습니다. 원본 기사를 읽어보세요.