극단적인 천체물리학 시스템에 대한 새로운 관찰은 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 대체하려는 시도를 “잔인하고 무자비하게 살해”했습니다.
소개
Miguel Zumalacárregui는 이론이 사라질 때의 느낌을 알고 있습니다. 2017년 9월, 그는 암흑 에너지와 변형 중력에 관한 회의에서 연설하기 위해 파리 근처 사클레에 있는 이론 물리학 연구소에 있었습니다. 공식적인 뉴스는 중력파 탐지기와 다른 많은 망원경을 통해 두 개의 중성자 별 사이의 충돌을 탐지하는 획기적인 천문학적 측정에 대해 아직 보도되지 않았지만 논쟁의 여지가 있는 트윗이 천문학계에 소문의 폭풍을 불러일으켰고 흥분한 연구자들은 조용히 그 발견에 대해 논의하고 있었습니다.
버클리 우주 물리학 센터의 이론 물리학자인 Zumalacárregui는 중성자별 충돌의 발견이 소위 "대체" 중력 이론에 어떤 영향을 미칠지 연구하고 있었습니다. 이러한 이론은 많은 연구자들이 우주에 대한 우리의 이해에 있어 두 가지 큰 문제로 간주하는 문제를 극복하려고 시도합니다. 수십 년 전의 관측에 따르면 우주는 암흑 에너지라고 불리는 반중력력뿐만 아니라 보이지 않는 입자인 암흑 물질로 가득 차 있는 것으로 나타났습니다. 대체 중력 이론은 알려진 모든 관찰을 적절하게 설명하는 방식으로 중력을 수정하여 이러한 환영의 필요성을 제거하려고 시도합니다. 어두운 물질은 필요하지 않습니다.
회의에서 Zumalacárregui는 과학과 트위터를 결합하는 것의 위험성에 대해 청중에게 농담을 한 다음 소문이 사실이라면 어떤 결과가 나올지 설명했습니다. 많은 연구자들은 합병이 큰 일이 될 것이라는 것을 알고 있었지만 그들 중 많은 사람들은 단순히 "그들의 이론이 종말의 위기에 처해 있다는 것을 이해하지 못했습니다"라고 그는 나중에 이메일에 썼습니다. Saclay에서 그는 그들에게 마지막 의식을 읽어주었습니다. “그 회의는 일부 참석자들에게 소식을 전하는 장례식과 같았습니다.”
중성자별 충돌은 시작에 불과했습니다. 그 발견 이후 몇 달 동안의 새로운 데이터는 남아 있는 수정 중력 이론의 지지자들의 삶을 점점 더 어렵게 만들었습니다. 천문학자들은 회전하는 중성자별, 즉 펄서를 포함하는 극한 천문학 시스템을 분석하여 그 움직임과 일반 상대성 이론의 예측 사이의 불일치, 즉 일부 대체 중력 이론에서 예상하는 불일치를 찾아냈습니다. 이러한 펄서 시스템을 통해 천문학자들은 새로운 규모와 정밀도로 중력을 조사할 수 있습니다. 그리고 새로운 관찰이 있을 때마다 이러한 대체 중력 이론은 원래 목적이었던 문제를 해결하는 데 점점 더 어려움을 겪고 있습니다. 연구원들은 "새로운 물리학을 얻으려고 더 많은 땀을 흘려야 한다"고 암스테르담 대학의 천체물리학자인 앤 아치볼드(Anne Archibald)가 말했습니다.
Vulcan 검색 중
혼란스러운 관찰은 천문학자들을 필사적인 설명으로 이끄는 방법이 있습니다. 1859년 3월 26일 오후, 파리 남쪽의 작은 마을 오르제르 앙 보스(Orgères-en-Beauce)의 젊은 의사이자 아마추어 천문학자인 에드몽 레스카르볼(Edmond Lescarbault)은 환자들 사이에 휴식 시간을 가졌습니다. 그는 돌로 만든 헛간 지붕에 있는 집에서 만든 작은 전망대로 달려갔습니다. 그는 망원경의 도움으로 태양 표면을 가로질러 움직이는 알 수 없는 둥근 물체를 발견했습니다.
그는 이 발견에 대한 소식을 당시 세계 최고의 천문학자였던 위르뱅 르 베리에(Urbain Le Verrier)에게 재빨리 보냈습니다. 르베리에는 수성의 움직임에 나타나는 이상한 현상을 설명하려고 노력해 왔습니다. 다른 모든 행성은 아이작 뉴턴의 운동 법칙과 중력 법칙에 완벽하게 일치하여 태양 주위를 공전하지만, 수성은 각 궤도마다 조금씩 전진하는 것처럼 보였습니다. 이 현상은 근일점 세차 운동이라고 알려져 있습니다. 르베리에는 수성을 끌어당기는 보이지 않는 “어두운” 행성이 있어야만 한다고 확신했습니다. 태양을 통과하는 암흑점에 대한 르스카볼의 관찰은 르 베리에가 불칸(Vulcan)이라고 이름 붙인 행성이 진짜라는 것을 보여주는 것처럼 보였습니다.
그렇지 않았습니다. Lescarbault의 목격은 결코 확인되지 않았으며 수성의 근일점 세차 운동은 거의 60년 동안 수수께끼로 남아 있었습니다. 그런 다음 아인슈타인은 일반 상대성 이론을 개발했는데, 이는 수성이 그런 식으로 행동할 것이라고 직접적으로 예측했습니다.
지금까지 숨겨진 물체를 도입하여 수수께끼 같은 관찰을 설명하려는 르베리에의 충동에서 일부 현대 연구자들은 암흑 물질과 암흑 에너지 이야기와 유사점을 봅니다. 수십 년 동안 천문학자들은 은하와 은하단의 움직임이 일반 상대성 이론의 예측과 맞지 않는 것 같다는 사실을 알아냈습니다. 암흑 물질은 그러한 행동을 설명하는 한 가지 방법입니다. 마찬가지로 우주의 가속팽창도 암흑에너지에 의해 추진되는 것이라고 생각할 수 있다.
그러나 암흑물질과 암흑에너지를 직접적으로 탐지하려는 모든 시도는 실패했다. 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 이론 물리학자인 레오 스타인(Leo Stein)은 “이 사실은 가상의 행성 벌칸(Vulcan)처럼 일부 사람들의 입에 나쁜 맛을 남긴다”고 말했습니다. "어쩌면 우리가 모든 일을 잘못하고 있는 건 아닐까?"
대체 중력 이론이 작동하려면 암흑 물질과 암흑 에너지를 제거해야 할 뿐만 아니라 모든 표준 상황에서 일반 상대성 이론의 예측을 재현해야 합니다. "대체 중력 이론의 사업은 지저분한 사업입니다."라고 Archibald는 말했습니다. 끈 이론이나 고리 양자 중력과 같은 일반 상대성 이론을 대체할 것으로 예상되는 일부 이론은 테스트 가능한 예측을 제공하지 않습니다. 다른 사람들은 "극도로 잘못된 예측을 하기 때문에 이론가들은 우리가 실제로 테스트할 수 있는 규모에서 잘못된 예측을 숨기기 위한 일종의 선별 메커니즘을 고안해야 합니다"라고 그녀는 말했습니다.
가장 잘 알려진 대체 중력 이론은 수정된 뉴턴 역학(Modified Newtonian Dynamics)으로 알려져 있으며 일반적으로 MOND로 축약됩니다. MOND 유형 이론은 중력에 대한 정의를 조정하여 암흑 물질을 제거하려고 시도합니다. 천문학자들은 일반 물질로 인한 중력이 은하 내부에서 빠르게 움직이는 별을 유지하는 데 충분하지 않은 것으로 오랫동안 관찰해 왔습니다. 암흑물질의 중력이 그 차이를 보완한다고 가정합니다. 그러나 MOND에 따르면 중력에는 두 가지 종류가 있습니다. 중력이 강한 지역에서 물체는 두 물체 사이의 중력이 두 물체를 분리하는 거리의 제곱에 비례하여 감소한다는 뉴턴의 중력 법칙을 따릅니다. 그러나 은하계 외부와 같이 중력이 극도로 약한 환경에서는 MOND는 또 다른 유형의 중력이 작용하고 있음을 시사합니다. 이 중력은 거리에 따라 더 천천히 감소합니다. 즉, 그다지 약해지지 않는다는 의미입니다. Zumalacárregui는 “은하 외곽처럼 중력이 약해야 할 때 중력을 더 강하게 만드는 것이 아이디어입니다.”라고 말했습니다.
루시 리딩-Ikkanda/Quanta Magazine
그리고 MOND의 상대론적 사촌인 TeVeS(텐서-벡터-스칼라)가 있습니다. MOND가 뉴턴 중력의 변형인 반면, TeVeS는 MOND의 일반적인 개념을 태양계나 은하와 같은 비교적 작은 물체뿐만 아니라 우주 전체에 적용할 수 있는 완전한 수학적 이론으로 만들려는 시도입니다. 또한 은하 외곽의 중력을 더 강하게 만들어 은하의 회전 곡선을 설명합니다. 그러나 TeVeS는 "본질적으로 중력을 증폭시키는" "스칼라" 및 "벡터" 장으로 중력을 강화함으로써 그렇게 한다고 독일 가르힝에 있는 막스 플랑크 천체물리학 연구소의 우주학자인 파비안 슈미트(Fabian Schmidt)는 말했습니다. 스칼라 필드는 대기 전체의 온도와 같습니다. 모든 지점에 수치 값이 있지만 방향은 없습니다. 대조적으로 벡터 필드는 바람과 유사합니다. 즉, 값(풍속)과 방향을 모두 갖습니다.
암흑 에너지를 제거하려고 시도하는 소위 갈릴레온 이론(Horndeski 및 Beyond-Horndeski 이론의 일부)도 있습니다. 일반 상대성이론의 이러한 수정은 또한 스칼라 장을 도입합니다. 이러한 이론은 많이 있으며(Brans-Dicke 이론, 딜라톤 이론, 카멜레온 이론 및 정수는 그 중 일부일 뿐입니다), 이들의 예측은 모델마다 크게 다릅니다. 그러나 그것들은 모두 우주의 팽창을 변화시키고 중력의 힘을 조정합니다. 혼데스키 이론은 1974년 그레고리 혼데스키(Gregory Horndeski)에 의해 처음 제시되었지만 더 넓은 물리학계는 2010년쯤에야 이를 주목했습니다. 그때까지 Zumalacárregui는 "그레고리 혼데스키는 과학을 그만두고 뉴멕시코에서 화가가 되었습니다"라고 말했습니다.
물리학자 Erik Verlinde의 이론과 같은 독립형 이론도 있습니다. 그의 이론에 따르면 중력의 법칙은 "바다의 물 분자에서 파도가 나타나는 방식"과 마찬가지로 열역학 법칙에서 자연스럽게 발생한다고 Zumalacárregui는 말했습니다. Verlinde는 이메일에서 자신의 아이디어가 중력의 "대체 이론"이 아니라 "아인슈타인의 일반 상대성 이론을 포함하고 초월하는 차세대 중력 이론"이라고 썼습니다. 그러나 그는 여전히 자신의 아이디어를 발전시키고 있습니다. Archibald는 "우리가 수행하는 정밀 테스트를 허용할 만큼 이론이 아직 충분히 확립되지 않았다는 느낌을 받았습니다."라고 말했습니다. Zumalacárregui는 "멋진 단어"를 기반으로 구축되었지만 "예측을 계산하고 확실한 테스트를 수행할 수 있는 수학적 프레임워크는 없습니다"라고 말했습니다.
다른 이론의 예측은 일반 상대성 이론의 예측과 어떤 면에서 다릅니다. 그러나 이러한 차이점은 미묘하여 찾기가 매우 어렵습니다.
중성자별 합병을 생각해 보세요. LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)가 이 사건에서 발생하는 중력파를 발견한 것과 동시에 우주 기반 페르미 위성은 같은 위치에서 폭발하는 감마선을 발견했습니다. 두 신호는 1억 3천만년 동안 우주를 여행한 후 불과 1.7초 간격으로 지구에 도착했습니다.
독일 본에 있는 막스 플랑크 전파 천문학 연구소의 천체 물리학자인 파울로 프레이리(Paulo Freire)는 이러한 거의 동시적인 관찰이 TeVeS 이론을 "잔인하고 무자비하게 살해했다"고 말했습니다. "중력과 중력파는 빛의 속도로 매우 높은 정밀도로 전파됩니다. 이는 이러한 [대체] 이론에서 예측한 것과 전혀 다릅니다."
같은 운명이 우주의 가속 팽창을 설명하기 위해 추가 스칼라 필드를 추가하는 일부 갈릴레오 이론을 따라잡았습니다. 이는 또한 중력파가 빛보다 더 느리게 전파된다는 것을 예측합니다. 중성자별 합병으로 인해 이들도 사라졌다고 슈미트는 말했다.
새로운 펄서 시스템에서는 더 많은 한계가 발생합니다. 2013년에 Archibald와 그녀의 동료들은 특이한 삼중계를 발견했습니다. 펄서와 백색 왜성은 서로 공전하고, 두 번째 백색 왜성은 쌍을 공전합니다. 이 세 물체는 태양 주위를 도는 지구의 궤도보다 작은 공간에 존재합니다. 이러한 엄격한 설정은 중성자별이나 블랙홀과 같은 매우 밀도가 높은 강한 중력 물체가 중력장에 배치될 때 동일한 방식으로 "떨어진다"는 것을 명시하는 강한 등가 원리라고 불리는 일반 상대성 이론의 중요한 측면을 테스트하기 위한 이상적인 조건을 제공한다고 Archibald는 말했습니다. (지구에서는 더 친숙한 약한 등가 원리에 따르면 공기 저항을 무시하면 깃털과 벽돌이 같은 속도로 떨어집니다.)
삼중 시스템을 사용하면 펄서와 내부 백색 왜성이 외부 백색 왜성의 중력에서 정확히 같은 방식으로 떨어지는지 확인할 수 있습니다. 대체 중력 이론에서는 펄서에서 생성된 스칼라 장이 백색 왜성보다 훨씬 더 극단적인 방식으로 시공간을 휘게 한다고 가정합니다. 이 둘은 비슷한 방식으로 떨어지지 않아 강력한 등가 원리와 일반 상대성 이론을 위반하게 됩니다.
지난 5년 동안 Archibald와 그녀의 팀은 다른 두 별 주위를 공전하는 펄서의 위치에 대해 27,000번의 측정값을 기록했습니다. 이 프로젝트는 아직 진행 중이지만 결과는 아인슈타인과 완전히 일치할 것으로 보인다고 Archibald는 말했습니다. "펄서가 비정상적으로 행동하는 정도는 최대 백만 분의 몇 부분이라고 말할 수 있습니다. 그렇게 강한 중력을 가진 물체가 여전히 아인슈타인의 예측을 잘 따르려면 이러한 스칼라 필드 중 하나가 있다면 정말 작은 효과를 가져야 합니다."
곧 발표될 이 테스트는 대체 중력 이론 전체에 대해 최고의 제약을 가할 것이라고 그녀는 덧붙였습니다. 이론이 일부 추가 스칼라 필드에서만 작동하는 경우 해당 필드는 펄서의 동작을 변경해야 합니다. "우리는 태양계와 우리와 같은 펄서 시스템에서 이론의 새로운 행동을 어떻게든 숨길 필요가 있을 정도로 일반 상대성 이론에 대한 매우 민감한 테스트를 갖고 있습니다."라고 Archibald는 말했습니다.
한편, 이중 펄서라고 불리는 다른 펄서 시스템의 데이터는 원래 TeVeS 이론을 제거하기로 되어 있었습니다. 2003년에 발견된 이중 펄서는 최근까지 두 중성자별이 펄서인 유일한 쌍성 중성자별 시스템이었습니다. 프레이리와 그의 동료들은 이미 이중 펄서의 거동이 일반 상대성 이론과 완벽하게 일치한다는 것을 확인했습니다. LIGO의 10월 중성자별 합병 발표 직전에 연구원들은 TeVeS를 죽일 논문을 발표할 예정이었습니다. 그러나 LIGO는 그들을 위해 일을 했다고 Freire는 말했습니다. “더 이상 그런 일을 겪을 필요가 없습니다.”
미끄러운 생존자
몇 가지 이론은 LIGO 타격에서 살아남았으며 아마도 다가오는 펄서 데이터에서도 살아남을 것이라고 Zumalacárregui는 말했습니다. 중력파의 속도를 바꾸지 않는 Horndeski 이론과 Horndeski 너머 이론이 있습니다. 그리고 소위 거대 중력 이론이 있습니다. 일반적으로 물리학자들은 중력과 관련된 입자인 중력자에는 질량이 없다고 가정합니다. 이 이론에서 중력자는 매우 작지만 0이 아닌 질량을 갖습니다. 중성자별 합병은 이러한 이론에 엄격한 제한을 가한다고 Zumalacárregui는 말했습니다. 왜냐하면 거대한 중력자는 빛보다 더 느리게 이동할 것이기 때문입니다. 그러나 일부 이론에서는 질량이 극도로 작아서 중성미자보다 최소 20배 낮은 것으로 가정합니다. 이는 중력자가 여전히 거의 빛의 속도로 움직일 것임을 의미합니다.
덜 알려진 생존자들이 몇 명 더 있는데, 그 중 일부는 암흑 물질과 암흑 에너지가 파악하기 어려운 한 계속해서 탐사하는 것이 중요하다고 Archibald는 말했습니다. "암흑에너지는 새롭고 더 나은 중력 이론을 가리키는 유일한 관측 단서일 수도 있고, 아니면 중력과는 전혀 관련이 없고 이상한 특성을 지닌 신비로운 유체일 수도 있습니다."라고 그녀는 말했습니다.
그럼에도 불구하고 이론을 없애는 것은 과학이 작동하는 방식일 뿐이라고 대체 중력 이론을 탐구해 온 연구자들은 주장합니다. MOND와 유사한 이론을 연구해 온 파리 천체물리학 연구소의 엔리코 바라우스(Enrico Barausse)는 “이것이 우리가 항상 하는 일이며 작업 가설을 제시하고 테스트하는 것입니다.”라고 말했습니다. “99.9%의 경우 가설을 배제하고 나머지 0.1%의 경우 노벨상을 수상합니다.”
이 이론을 연구한 Zumalacárregui는 중성자별 합병 탐지가 갈릴레온 이론이 틀렸다는 것을 깨달았을 때 "처음에는 슬펐지만" 궁극적으로 "그것이 더 빨리 일어나서 매우 안도했다"고 말했습니다. LIGO는 감지기를 업그레이드하기 위해 18개월 동안 문을 닫을 예정이었습니다. “만약 행사가 조금 늦었다면 나는 여전히 잘못된 이론을 세우고 있을 것입니다.”
그렇다면 일반 상대성 이론과 수정 중력 이론의 다음 단계는 무엇일까요? Zumalacárregui는 “그 질문은 내가 원하는 것보다 더 많은 밤잠을 설치게 만듭니다.”라고 말했습니다. "좋은 소식은 범위를 많이 좁혔으며 소수의 생존자를 더 잘 이해하려고 노력할 수 있다는 것입니다."
슈미트는 현재 진행 중이거나 미래의 거대 은하 조사를 통해 대규모 중력의 법칙을 가능한 한 직접적으로 측정하는 것이 필요하다고 생각합니다. “예를 들어, 우리는 수정 중력 이론에서 일반적으로 다를 것으로 예측되는 은하 속도뿐만 아니라 빛의 굽힘에 대한 중력의 영향을 비교할 수 있습니다.”라고 그는 말했습니다. 연구원들은 또한 Square Kilometer Array와 같은 미래의 망원경이 더 많은 펄서 시스템을 발견하고 펄서 타이밍에 더 나은 정확성을 제공하여 중력 테스트를 더욱 개선할 수 있기를 바라고 있습니다. 그리고 LISA라고 불리는 LIGO의 우주 기반 대체품은 실제로 2030년대 중반에 계획대로 발사된다면 매우 정확하게 중력파를 연구할 것입니다. Barausse는 "만약 일반 상대성 이론에서 벗어나지 않는다면 어떻게 될지 모르겠습니다."라고 말했습니다.
그러나 많은 물리학자들은 대부분의 대체 중력 모델을 제거하는 데 오랜 시간이 걸릴 것이라는 점에 동의합니다. 이론가들은 암흑물질과 암흑에너지를 잠재적으로 설명할 수 있는 수십 가지 대체 중력 이론을 가지고 있다고 프레이어는 말했습니다. Archibald는 이러한 이론 중 일부는 테스트 가능한 예측을 할 수 없으며 많은 이론은 "원하는 테스트를 통과하도록 돌릴 수 있는 매개 변수, '손잡이'가 있습니다"라고 말했습니다. 그러나 어느 시점이 되면 "이것은 어리석은 일이 되고 오캄의 면도날이 승리하게 된다"고 몬타나 주립 대학의 물리학자인 니콜라스 윤스(Nicolas Yunes)는 말했습니다.
그럼에도 불구하고 “기본적으로 우리는 일반상대성이론이 틀렸다는 것을 알고 있습니다”라고 Stein은 말했습니다. 양자 수준에서 “핵심에는 약간의 붕괴가 있어야 합니다.” "아마도 우리는 천문학적 관찰을 통해서는 그것을 볼 수 없을 것입니다. 하지만 우리는 경험적 과학자로서 우리의 수학적 모델이 이러한 규모로 작동하는지 여부를 확인해야 할 의무가 있습니다."
이 기사는 Wired.com에 재인쇄되었습니다.
