빅뱅 이후 거의 400,000년이 지난 후, 초기 우주의 원시 플라즈마는 최초의 원자가 합쳐질 만큼 충분히 냉각되어 내장된 방사선이 자유롭게 솟아오를 수 있는 공간을 만들었습니다. 우주 마이크로파 배경(CMB)이라는 빛은 계속해서 하늘을 통해 모든 방향으로 흐르며, 전용 망원경으로 포착한 초기 우주의 스냅샷을 방송하고 심지어 구형 음극선 TV의 잡음 속에서도 드러납니다.
과학자들은 1965년에 CMB 방사선을 발견한 후 미세한 온도 변화를 세심하게 매핑했으며, 이는 단순한 거품 플라즈마였을 때 우주의 정확한 상태를 표시했습니다. 이제 그들은 우주가 성숙해지면서 수십억 년에 걸쳐 발전한 대규모 구조를 분류하기 위해 CMB 데이터를 용도 변경하고 있습니다.
SLAC 국립가속기연구소(SLAC National Accelerator Laboratory)의 우주학자인 키미 우(Kimmy Wu)는 “그 빛은 우주 역사의 대부분을 경험했고 그것이 어떻게 변화했는지를 봄으로써 우리는 다양한 시대에 대해 배울 수 있다”고 말했습니다.
거의 140억년에 달하는 여행 동안 CMB에서 나오는 빛은 그 길을 가로막는 모든 물질로 인해 늘어나고, 압축되고, 휘어졌습니다. 우주론자들은 CMB 빛의 주요 변동을 넘어 은하 및 기타 우주 구조와의 상호 작용으로 남겨진 2차 각인까지 살펴보기 시작했습니다. 이러한 신호를 통해 그들은 일반 물질(원자 부분으로 구성된 모든 것)과 신비한 암흑 물질의 분포를 더욱 선명하게 볼 수 있습니다. 결과적으로 이러한 통찰력은 오랜 우주론적 미스터리를 해결하고 새로운 미스터리를 제시하는 데 도움이 됩니다.
SLAC의 우주학자인 Emmanuel Schaan은 "우리는 CMB가 우주의 초기 조건뿐만 아니라 은하 자체에 대해서도 알려준다는 것을 깨닫고 있습니다."라고 말했습니다. "그리고 그것은 정말 강력한 것으로 밝혀졌습니다."
그림자의 우주
별에서 방출되는 빛을 추적하는 표준 광학 조사에서는 은하의 기본 질량 대부분을 간과합니다. 그 이유는 우주의 전체 물질 함량 중 대다수가 망원경으로는 보이지 않기 때문입니다. 암흑 물질 덩어리나 은하계를 연결하는 확산된 이온화 가스로서 시야에 숨겨져 있기 때문입니다. 그러나 암흑 물질과 흩어져 있는 가스는 모두 들어오는 CMB 빛의 배율과 색상에 감지 가능한 흔적을 남깁니다.
"우주는 실제로 은하계가 주인공이고 CMB가 백라이트인 그림자 극장입니다."라고 Schaan은 말했습니다.
이제 많은 섀도우 플레이어들이 안도감을 느끼고 있습니다.
CMB의 빛 입자 또는 광자가 은하계 사이의 가스에서 전자를 산란시킬 때 더 높은 에너지에 부딪히게 됩니다. 또한, 팽창하는 우주에 대해 해당 은하계가 움직이는 경우 CMB 광자는 성단의 상대적인 움직임에 따라 위 또는 아래로 두 번째 에너지 이동을 얻습니다.
열 효과와 운동학적 Sunyaev-Zel'dovich(SZ) 효과로 각각 알려진 이 한 쌍의 효과는 1960년대 후반에 처음으로 이론화되었으며 지난 10년 동안 정확도가 증가하면서 감지되었습니다. SZ 효과는 함께 CMB 이미지에서 추출할 수 있는 특징적인 특징을 남겨 과학자들이 우주에 있는 모든 일반 물질의 위치와 온도를 지도화할 수 있게 해줍니다.
마지막으로, 약한 중력 렌즈로 알려진 세 번째 효과는 CMB 빛이 거대한 물체 근처를 이동할 때 빛의 경로를 왜곡하여 마치 와인잔 바닥을 통해 보이는 것처럼 CMB를 왜곡시킵니다. SZ 효과와 달리 렌즈 효과는 어둡거나 다른 모든 물질에 민감합니다.
종합해 보면, 이러한 효과를 통해 우주론자들은 암흑 물질에서 일반 물질을 분리할 수 있습니다. 그런 다음 과학자들은 은하 조사에서 얻은 이미지와 이 지도를 오버레이하여 우주 거리를 측정하고 별 형성까지 추적할 수 있습니다.
메릴 셔먼/Quanta 매거진
2021년 동반 논문에서 현재 프랑스 스트라스부르 천문대에 있는 Schaan과 Stefania Amodeo가 이끄는 팀은 이러한 접근 방식을 적용했습니다. 그들은 유럽 우주국의 플랑크 위성과 지상 아타카마 우주 망원경으로 촬영한 CMB 데이터를 조사한 다음 해당 지도 위에 거의 500,000개 은하에 대한 추가 광학 조사를 쌓았습니다. 이 기술을 통해 그들은 일반 물질과 암흑 물질의 정렬을 측정할 수 있었습니다.
분석 결과, 이 지역의 가스는 많은 모델이 예측한 것만큼 암흑물질 네트워크를 지원하지 않는 것으로 나타났습니다. 대신, 초신성 폭발과 초대질량 블랙홀의 출현으로 인해 가스가 암흑 물질 노드에서 멀어지게 되어 가스가 확산되어 기존 망원경이 감지하기에는 너무 얇고 차가웠음을 시사합니다.
CMB 그림자에서 확산 가스를 발견한 것은 과학자들이 소위 바리온 누락 문제를 해결하는 데 도움이 되었습니다. 이는 또한 분산 폭발의 강도와 온도에 대한 추정치를 제공했는데, 이는 과학자들이 현재 은하 진화 모델과 우주의 대규모 구조를 개선하는 데 사용하고 있는 데이터입니다.
최근 몇 년 동안 우주론자들은 현대 우주에서 관찰된 물질의 분포가 이론이 예측한 것보다 더 완만하다는 사실에 당황해 왔습니다. 만약 샨(Schaan), 아모데오(Amodeo) 등의 최근 연구에서 암시하는 것처럼 은하간 가스를 재활용하는 폭발이 과학자들이 가정한 것보다 더 활발하다면, 이러한 폭발은 물질을 우주 전체에 더 고르게 퍼뜨리는 데 부분적으로 책임이 있을 수 있다고 CMB 서명을 연구하고 있는 컬럼비아 대학의 우주론자 Colin Hill은 말했습니다. 앞으로 몇 달 안에 힐과 아타카마 우주 망원경의 동료들은 하늘 범위와 감도 모두에서 눈에 띄게 향상된 CMB 그림자의 업데이트된 지도를 공개할 계획입니다.
Hill은 “우리는 이 지도로 할 수 있는 일의 표면적인 부분만 시작했을 뿐입니다.”라고 말했습니다. "이전의 어떤 제품보다 놀라운 발전입니다. 그것이 진짜인지 믿기 어렵습니다."
미지의 그림자
CMB는 우주론의 표준 모델, 즉 연구자들이 우주의 기원, 구성 및 형태를 이해하는 데 사용하는 중심 프레임워크를 확립하는 데 도움이 되는 핵심 증거였습니다. 그러나 CMB 백라이트 연구는 이제 그 이야기에 구멍을 뚫을 위험이 있습니다.
2001년부터 2010년 사이에 CMB 지도를 작성했던 윌킨슨 마이크로파 이방성 탐사선의 회원으로서 이 이론을 확립하는 데 참여한 막스 플랑크 천체물리학 연구소의 우주론자 고마츠 에이이치로(Eiichiro Komatsu)는 "이 패러다임은 최근까지 정밀 측정 테스트에서 살아남았습니다. 우리는 새로운 우주 모델의 교차로에 서 있을지도 모릅니다."라고 말했습니다.
지난 2년 동안 고마츠와 동료들은 그림자 극장 무대에서 새로운 캐릭터의 힌트를 조사해 왔습니다. 신호는 CMB 광파의 편파 또는 방향에서 나타나며, 우주론의 표준 모델에서는 파동이 우주를 가로지르는 여정에서 일정하게 유지되어야 한다고 말합니다. 그러나 30년 전 Sean Carroll과 동료들이 이론화한 것처럼, 그 양극화는 암흑 물질, 암흑 에너지 또는 완전히 새로운 입자 분야에 의해 회전될 수 있습니다. 이러한 필드는 서로 다른 편광의 광자가 서로 다른 속도로 이동하고 빛의 순 편광을 회전시키게 하며, 이는 LCD 화면을 가능하게 하는 결정과 같은 특정 결정이 공유하는 "복굴절"로 알려진 특성입니다. 2020년에 Komatsu 팀은 CMB의 편광에서 약 0.35도의 작은 회전을 발견했다고 보고했습니다. 작년에 발표된 후속 연구에서는 이러한 초기 결과가 더욱 강화되었습니다.
만약 편광 연구나 은하의 분포와 관련된 또 다른 결과가 확인된다면, 모든 관측자에게 우주는 모든 방향에서 동일하게 보이지 않는다는 것을 의미할 것입니다. Hill과 다른 많은 사람들에게 두 결과는 모두 흥미로웠지만 아직 결정적인 것은 아닙니다. 이러한 힌트를 조사하고 잠재적인 교란 효과를 배제하기 위한 후속 연구가 진행 중입니다. 일부에서는 다양한 그림자를 더 자세히 조사할 수 있는 전용 "백라이트 천문학" 우주선을 제안하기도 했습니다.
“5~10년 전에 사람들은 우주론이 완성되었다고 생각했습니다.”라고 Komatsu는 말했습니다. "지금은 변화하고 있습니다. 우리는 새로운 시대로 진입하고 있습니다."
