수십 년 동안 일련의 반역 이론가들은 우주론의 핵심 개념 중 하나, 즉 보이지 않는 무형의 물질 형태가 우주의 기본 구조를 형성한다는 생각과 전쟁을 벌였습니다. 우리가 5:1로 구성되어 있는 물질보다 더 큰 것으로 보이는 이 암흑 물질은 은하와 은하 집단의 긴밀한 응집력, 멀리 있는 은하계의 빛이 지구 망원경으로 가는 길에 구부러지는 방식, 초기 우주의 얼룩덜룩한 구조 등 수많은 관찰을 설명합니다.
혁명가가 되려는 사람들은 대안적인 우주 레시피를 찾고 있습니다. 암흑 물질 대신 미묘하게 수정된 중력을 대체합니다. 그러나 그들의 대략적인 아이디어를 정확한 수학적 언어로 번역하려는 시도는 항상 적어도 하나의 주요 관찰에 어긋났습니다. 일부 공식은 은하계를 제대로 파악하고 일부 공식은 광선의 왜곡을 올바르게 파악하지만 암흑 물질의 가장 방탄 증거인 우주 마이크로파 배경(CMB)으로 알려진 고대 빛의 정확한 지도를 뚫은 것은 없습니다. 제네바 대학의 우주학자인 Ruth Durrer는 "이론이 이 데이터와 일치하려면 정말 잘 작동해야 합니다."라고 말했습니다. “이것이 병목 현상입니다.”
이제 두 이론가는 마침내 그 장애물을 넘어 대안적인 중력 이론을 짜냈다고 말합니다. 6월 말에 온라인에 게시되었지만 아직 동료 평가를 통과하지 못한 그들의 연구는 아인슈타인의 중력 이론을 수정한 버전을 사용하여 초기 우주의 상징적인 지도를 재현했는데, 이는 일부 반군조차 불가능하다고 두려워했던 위업이었습니다. 케이스 웨스턴 리저브 대학의 천문학자이자 오랫동안 수정 중력 이론을 옹호해 왔지만 이번 연구에는 참여하지 않은 스테이시 맥고(Stacy McGaugh)는 “15년 동안 우리는 물 속에서 죽은 상태였습니다.”라고 말했습니다. “이것은 엄청난 도약입니다.”
다른 사람들은 모델의 예비 결과가 유망해 보인다는 데 동의합니다. Durrer는 "조금 바로크적이지만 지금까지 다른 어떤 것도 효과가 없었기 때문에 여전히 효과가 있는 것 같다는 인상을 받았습니다."라고 Durrer는 말했습니다.
대부분의 우주론자들은 여전히 두 가지 패러다임 중 더 단순한 것으로 암흑 물질을 선호하지만, 새로운 이론이 추가적인 우주론적 관측과 진정으로 일치할 수 있다면 흥미로울 수 있다는 데 동의합니다. 시카고 대학의 천체 물리학자인 댄 후퍼(Dan Hooper)는 “그것은 큰 장벽이 될 것입니다.”라고 말했습니다. “그거 꽤 흥미로울 것 같아요.”
바늘에 실을 꿰기
수정된 뉴턴 역학(MOND)으로 통칭되는 대체 중력 이론에 대한 과제는 새로운 모델이 등장한 다음 날 우연히 출판된 별도의 사전 출판물에 자세히 설명되어 있습니다. 그 중 가장 중요한 것은 람다 차가운 암흑 물질(LCDM)로 알려진 잘 확립된 우주론 모델에 설명된 대로 우주를 하나로 묶는 데 암흑 물질이 수행하는 주도적인 역할을 재구성하는 것입니다.
간단히 말해서, LCDM은 암흑물질이 없었다면 우리는 여기에 없었을 것이라고 말합니다. 초기 우주는 너무 매끄러웠기 때문에 일반 물질의 중력 인력만으로는 입자를 은하, 별, 행성으로 모으기에 충분하지 않았을 것입니다. 암흑 물질 입자를 입력하십시오. LCDM은 집단적 질량을 사용하여 일반 물질을 천문학자들이 연구하는 현대 우주 구조로 조각합니다.
LCDM이 우주론의 표준 모델이 된 이유 중 하나는 그것이 CMB와 매우 정확하게 일치하기 때문입니다. 초기 우주의 이 지도는 우주를 통해 잔물결을 일으키고 있는 거의 눈에 띄지 않을 정도로 두껍고 얇은 점들을 보여줍니다. 최근 연구자들은 CMB 빛의 방향이나 편광을 더 정확하게 측정할 수 있게 되었습니다. 성공적인 우주론은 CMB의 온도, CMB의 양극화, 은하와 은하단의 현재 분포 등 세 가지 관찰을 재현하여 우주의 포괄적인 역사를 확립해야 합니다.
Lucy Reading-Ikkanda/Quanta 매거진; 출처:doi:1303.5076v3
두 번째 사전 인쇄에서 NASA 제트 추진 연구소의 천체물리학자인 Kris Pardo와 Flatiron Institute의 전산 천체 물리학 센터 소장인 David Spergel은 대체 중력 이론이 LCDM의 특정 기능 중 하나와 경쟁하는 것이 얼마나 어려운지를 정량화했습니다. (콴타 매거진 는 플랫아이언 연구소(Flatiron Institute)에도 자금을 지원하는 사이먼스 재단(Simons Foundation)이 후원하는 편집상 독립적인 간행물입니다.) 더 밀집된 암흑 물질 영역이 물질을 끌어당겨 결국 은하와 별을 형성할 때, 이것은 물질을 통해 처음 이동하는 잔물결을 전체적으로는 아니지만 대부분 씻어냈을 것입니다. 우주론자들은 CMB의 양극화를 오늘날의 물질 패턴과 비교함으로써 그러한 효과를 명확하게 측정할 수 있습니다. 즉, CMB에서 볼 수 있는 기복보다 100배 작은 잔물결이 오늘날에도 지속됩니다.
Spergel은 LCDM의 공식 성분 없이 이러한 기능과 기타 기능을 재현하려면 이론적으로 가장 정밀한 바늘 스레딩이 필요하다고 밝혔습니다. “우리는 이 모든 [수정 중력 이론]의 존재를 반증하지 않았습니다.”라고 그는 말했습니다. "그러나 어떤 대안 이론이라도 이러한 난관을 뛰어넘어야 합니다."
다크 더스트
중앙 유럽 우주론 및 기초 물리학 연구소의 이론가인 Tom Złosnik과 Constantinos Skordis는 그들이 그렇게 했다고 믿습니다. 비록 MOND 회의론자들과 팬들 모두를 놀라게 할 수도 있는 방식이지만 말이죠. 그들은 우주 규모에서 보이지 않는 물질 형태와 똑같이 작용하는 성분을 포함하는 중력 이론을 구축하여 암흑 물질과 MOND 패러다임 사이의 경계를 모호하게 만들었습니다.
RelMOND라고 불리는 그들의 이론은 일반 상대성 이론에 다양한 분야에서 다르게 행동하는 편재적 장을 추가합니다. 우주가 팽창함에 따라 눈에 띄게 늘어나는 가장 큰 규모에서 장은 눈에 보이지 않는 물질처럼 작용합니다. Złosnik이 "암흑 먼지"라고 부르는 이 모드에서 필드는 암흑 물질과 마찬가지로 눈에 보이는 우주를 형성할 수 있습니다. 이 모델은 두 사람이 사전 인쇄에서 발표한 결과인 CMB의 온도를 충실하게 재현했으며 Złosnik은 아직 이러한 플롯을 발표하지는 않았지만 편광 스펙트럼 및 물질 분포와도 일치할 수 있다고 말합니다.
"[RelMOND]는 LCDM보다 나쁠 수 없습니다"라고 Złosnik은 말했습니다. 왜냐하면 이 이론은 우주 전체에 대한 이론과 매우 유사하기 때문입니다.
그러나 공간 구조가 여전히 고정되어 있는 은하를 확대하면 해당 필드는 MOND 뿌리에 충실한 방식으로 작동합니다. 즉, 표준 중력장과 얽혀서 추가 물질 없이 은하계를 하나로 묶을 수 있을 만큼만 강화됩니다. (연구원들은 이 장이 다년생 MOND의 아픈 지점인 더 큰 은하단에 대해 어떻게 작용하는지 아직 확신하지 못하며, 이 중간 규모가 이론을 차별화할 수 있는 관측 단서를 찾기에 좋은 장소일 수 있다고 제안합니다.)
두 사람의 수학적 성취에도 불구하고 암흑물질은 여전히 더 단순한 이론으로 남아 있습니다. 새로운 분야를 건설하려면 4개의 새로운 움직이는 수학적 부분이 필요한 반면, LCDM은 암흑물질을 단 한 부분으로 처리합니다. 후퍼는 이 상황을 살인 현장의 사람이 살인자인지, 아니면 CIA에 의해 누명을 쓴 것인지 논쟁하는 형사에 비유합니다. 이용 가능한 증거가 두 이론 모두와 일치하더라도 도약이 덜 필요합니다.
그럼에도 불구하고 그는 자신이 우주론적 음모론이라고 생각하는 것을 연구하는 다른 사람들을 원망하지 않습니다. “똑똑한 사람들이 MOND를 생각하고 있어서 기쁘네요.”라고 그는 말했습니다.
Złosnik은 암흑 물질이 곧 발견되기를 바라고 있지만 그 동안 그는 MOND에 대한 그의 작업을 우주론적 확립에 대한 전면적 공격이라기보다는 일반 상대성 이론을 한계까지 확장하는 연습으로 보고 있습니다. 현재 그는 중력 수학이 많은 사람들이 생각하는 것보다 더 이상한 현상을 수용할 수 있다는 사실을 보여주는 데 도움을 준 것을 기쁘게 생각합니다.
Złosnik은 “불가능하다고 가정하는 것만으로도 유용한 것을 놓칠 위험이 있습니다.”라고 말했습니다. "그것은 좀 더 성공적인 일을 향한 길을 제시할 수도 있습니다."
이 기사는 TheAtlantic.com에 재인쇄되었습니다.
