3월 중순, 최초의 순간을 조사하기 위한 실험을 진행 중인 4명의 천체물리학자 패널이 매사추세츠주 케임브리지의 하버드-스미스소니언 천체물리학 센터(CfA)에서 특별 기자회견을 열었습니다. 과학자들은 남극에 위치한 전파 망원경이 빅뱅에 의해 생성된 중력파를 발견했다고 발표했습니다. 그들은 우주론의 '새로운 시대'의 시작을 선포하는 동료 심사를 거치지 않은 논문을 인터넷에 게시했습니다.
기자회견에서 주목을 받은 두 명의 이론물리학자 안드레이 린데(Andrei Linde)와 앨런 구스(Alan Guth)는 우리 우주가 탄생할 때 어떻게 급속히 팽창했는지에 대한 중요한 이론을 개발했습니다. 새로운 결과는 이러한 이론을 입증했습니다. 또는 그렇게 보였습니다.
스탠포드 대학과 CfA는 모두 이 발견을 인플레이션 이론이 사실임을 보여주는 "스모킹 건"이라고 부르는 보도 자료를 배포했으며, 이 문구는 연구 결과에 대한 국제 헤드라인에 등장했습니다. 스탠포드 연구원 Chao-Lin Kuo가 발견 소식을 공유하기 위해 Linde의 진입로를 걸어가는 짧은 비디오는 수백만 명이 시청했습니다. 미소 짓는 물리학자들과 우주론자들은 언론 인터뷰에서 거의 흥분하여 춤을 출 뻔했습니다.
대부분은 BICEP2 망원경(2세대 우주 외은하 편광 배경 영상 촬영용)을 사용한 실험에 참여한 과학자들의 혁명적인 주장은 다른 설명을 배제할 수 있는 추가 실험을 통해 확인되어야 한다는 점을 주의 깊게 지적했습니다. 그러나 BICEP2의 매우 기술적인 논문에서는 중력파 신호가 거짓일 가능성이 매우 낮다고 주장했기 때문에 대부분의 사람들에게는 이 발견이 완료된 것처럼 보였습니다.
그러나 David Spergel은 그렇지 않습니다. Spergel은 2001년에 궤도에 진입한 전파 망원경인 WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)의 팀원으로서 천체 물리학 분야에서 경력을 쌓았습니다. 빅뱅의 마이크로파 잔광에 대한 위성의 측정은 팽창하는 우주의 나이(137억 7천만 년)를 정확하게 지적하고 일반 물질(전체의 4.6%)과 암흑 물질(24%) 및 암흑 에너지(71.4%)의 비율을 밝혀냈습니다. (플랑크 위성 데이터는 이후 나이를 138억년에 가깝게 수정했으며 일반 물질, 암흑 물질 및 암흑 에너지의 비율을 각각 4.9, 26.8 및 68.3으로 수정했습니다.)
Spergel은 빅뱅으로 인한 중력파의 증거를 찾는 여러 다른 실험에 참여하고 있습니다. 그는 우주 마이크로파 배경(CMB)을 측정하는 BICEP2의 회원은 아니지만 프린스턴 대학에서 학생들에게 이에 대해 강의해 왔습니다. 그는 기차에서 BICEP2 논문을 읽으면서 특히 BICEP2 발표 이후 발표된 새로운 CMB 측정에 비추어 데이터 해석에 심각한 문제가 있음을 발견했습니다. 5월 말, Spergel은 뉴욕 대학교 및 뉴저지주 프린스턴 고등연구소의 물리학자인 Raphael Flauger 및 프린스턴 대학교 대학원생인 J. Colin Hill과 협력하여 BICEP2 팀 결과에 대한 비평을 공동 출판했습니다. 세 사람은 신호가 중력파가 아닌 은하 전경의 우주 먼지에 의해 생성되었을 가능성이 높다고 결론지었습니다. 버클리 캘리포니아 대학교의 Michael J. Mortonson과 Uroš Seljak을 비롯한 다른 우주론자들도 이에 합류했습니다. 그들은 자신의 비판 논문을 작성하여 "BICEP2 결과를 인플레이션의 확실한 증거로 축하하기에는 너무 이르다"고 결론지었습니다.
BICEP2 천체물리학자들은 좀 더 신중했어야 했습니다.
6월 20일, Physical Review Letters는 BICEP2 원본 논문의 개정판을 출판했습니다. 이 새로운 논문에서 천체물리학자들은 중력파 해석에 대해 진지하게 검증했습니다. 가장 중요한 점은 유사한 연구를 수행하고 있던 유럽 우주국 플랑크 우주 관측소의 과학자들이 제공한 미공개 프레젠테이션에서 얻은 먼지에 관한 데이터에 대한 참조를 삭제했다는 것입니다. 그들은 또한 논문의 첫 번째 버전을 게시했을 때 사용할 수 없었던 먼지에 대한 플랑크 데이터를 통합했습니다. Spergel과 그의 동료들에게 고개를 끄덕이면서 BICEP2 과학자들은 더 이상 "전체 초과 신호를 설명할 만큼 밝은 먼지 방출 가능성을 배제"할 수 없다는 점을 인정했습니다.
6월 중순, Quanta Magazine은 Spergel과 함께 BICEP2 논란에 대해 이야기를 나눴습니다. 이것은 해당 대화를 요약하고 편집한 버전입니다.
QUANTA MAGAZINE:당신은 원시 중력파의 존재를 발견했다는 BICEP2 팀의 주장을 선도적으로 비판하고 있습니다. 왜요?
DAVID SPERGEL:BICEP2 천체물리학자들은 좀 더 신중했어야 했습니다. 그들이 보고한 증거는 그들이 중력파에 의해 발생한 것으로 해석한 신호가 실제로 은하 먼지에 의한 것이 아니라는 점을 나에게 확신시키지 못했습니다.
언론이 과민반응했나요?
나는 언론이 스모킹건 이야기를 하는 것에 대해 비난하지는 않지만 BICEP2 프로젝트 과학자들이 자신의 데이터로 완전히 뒷받침되지 않는 주장을 과신하고 있다고 비난합니다.
Physical Review Letters에 게재된 개정 논문에서 BICEP2의 흡연 총 주장 수정이 만족스럽습니까?
개정된 논문은 먼지 신호의 강도를 과소평가할 가능성이 매우 높은 비현실적인 전경 모델을 여전히 사용하고 있습니다. 하지만 이제 팀원들이 중력파 신호가 거짓일 가능성을 더 이상 배제할 수 없다는 점을 인식한 것은 긍정적인 신호입니다.
BICEP2 논문은 매우 기술적입니다. 일상 언어에서 양극화가 중요한 이유는 무엇인가요?
빛은 전자기파로 설명할 수도 있고 입자, 즉 광자로 설명할 수도 있습니다. 직사광선은 편광되지 않습니다. 즉, 광자가 모든 방향으로 무작위로 흩어집니다. 그러나 광자가 물이나 거울과 같은 표면에서 반사되면 산란된 광파는 이동 평면을 기준으로 위아래 또는 왼쪽에서 오른쪽으로 진동하도록 제한됩니다. 그것은 양극화입니다.
우리는 일상 생활에서 편광을 봅니다. 흐릿한 날 해변에서 편광 선글라스는 물에 산란된 광자에서 편광 눈부심을 걸러내므로 주변을 더 잘 볼 수 있습니다.
천체 물리학에서 전파 망원경은 130억년 이상 동안 우리를 향해 이동해온 광자인 우주 마이크로파의 편극을 측정합니다. 우리 장비가 이러한 광자의 특성을 측정할 때 생성된 편광 패턴을 통해 과거 중력파의 존재를 밝힐 수 있습니다.
유아 우주의 WMAP 3년차 사진입니다. 색상은 "따뜻한"(빨간색) 지점과 "더 차가운"(파란색) 지점을 나타냅니다. 흰색 막대는 가장 오래된 빛의 "편광" 방향을 나타냅니다.
NASA/WMAP 과학팀
중력파란 무엇인가요?
중력파는 시공간의 왜곡입니다. 파도는 호수에 던져진 바위에서 동심원 방향으로 파문을 일으키는 물결과 유사한 방식으로 전파됩니다. 충돌하는 중성자별은 큰 중력파를 방출한다고 생각되지만 에너지가 너무 약해서 아직 실험적으로 발견하지 못했습니다. 그러나 인플레이션 이론이 사실이라면, 빅뱅 이후 인플레이션의 미시적 순간 동안 우주는 엄청나게 높은 에너지의 분출에 힘입어 빛의 속도보다 빠른 속도로 기하급수적으로 팽창했습니다.
이 1조분의 1조 1조분의 1초 동안, 시공간의 양자 역학적 변동은 중력자, 즉 시공간의 중력 파동을 생성했습니다. 이 작은 파도는 초고온 인플레이션 순간 이후 팽창하고 빛이 없는 우주가 냉각되면서 점차적으로 수십만 광년에 걸쳐 확장되었습니다.
그리고 갑자기 빛이 나타났습니다. 인플레이션이 끝난 지 약 380,000년 후에 나타난 "마지막 산란 표면"에서 광자는 모든 방향으로 자유롭게 이동했습니다. 그리고 여기에 비결이 있습니다. 중력파는 전자를 이리저리 움직입니다. 광자 중 일부는 인플레이션 중에 양자 역학적으로 생성되어 고전적인 물체가 된 중력파에 의해 이동하는 전자에서 반사되었습니다.
이론에 따르면 이러한 광자는 B 모드라고 하는 컬링 편광 패턴을 생성하는데, 이는 전자가 중력파와 상호 작용할 때 발생하는 현상과 인과적으로 연결되어 있습니다.
천체물리학자들은 이 B 모드 편광 패턴이 우주 마이크로파 배경에서 매우 희미하게 기록된다고 예측했습니다. BICEP2가 CMB에서 감지한 편광 패턴은 사실상 원시 중력파의 스냅샷일 수 있습니다.
또는 138억년 된 패턴과 동일한 더 젊은 B 모드 패턴인 은하계 주위에 떠 있는 실리콘 먼지 조각을 산란시켜 편광된 광자에 의해 생성된 패턴일 수도 있습니다.
중력파의 증거를 찾는 것이 왜 그렇게 중요한가요?
원시 중력파의 존재를 발견하면 대형 강입자 충돌기로 조사할 수 있는 에너지 체제보다 1조 배 더 큰 에너지 규모에서 빅뱅 후 10~35초 후에 발생한 일종의 물리학에 대한 창이 열립니다. 실제로 우리는 중력자의 움직임, 즉 양자화된 중력을 보게 될 것입니다.
그렇다면 인플레이션 이론이 증명 가능한 사실이라는 뜻일까요?
이론을 증명한다는 것은 무엇을 의미하는가? 우리는 대부분 사물을 반증합니다. 인플레이션은 이론 이상의 시나리오입니다. 왜냐하면 인플레이션에는 다양한 버전이 있기 때문입니다. 인플레이션 시나리오는 실험을 통해 검증된 예측을 내놓는다는 점에서 훌륭합니다. 하지만 내 생각에는 인플레이션이 우리를 올바른 방향으로 인도하기는 하지만 그것이 최종 이론은 아니라는 것입니다.
즉, 비먼지 B 모드 신호가 BICEP2 연구자들이 주장하는 것만큼 크다면 양자 역학과 일반 상대성 이론의 영역을 통합하는 에너지 규모의 대규모 장 팽창이 필요합니다. 강한 중력파의 존재는 양자 중력에 대한 많은 경쟁 이론을 배제하고 앞으로 나아갈 올바른 경로를 나타냅니다.
BICEP2 팀원이 플랑크 데이터를 잘못 분석했습니다.
BICEP2 연구진의 자체 데이터 해석에 문제점은 무엇인가요?
실험적 어려움은 B 모드 신호 중 얼마나 많은 양의 먼지와 기타 데이터 오염 물질이 포함되어 있는지 확인하는 데 있습니다. 전체 B 모드 신호에서 해당 양을 빼면 나머지는 고대 중력파로 인한 것입니다. BICEP2는 단일 무선 주파수인 150GHz에서 하늘을 매우 민감하게 측정했습니다. 단일 주파수 판독만으로는 B 모드 신호가 은하 먼지에 의한 것인지 중력파에 의한 것인지 알 수 없습니다. 다중 주파수 데이터가 필요합니다.
BICEP2가 검색을 하나의 빈도로 제한한 이유는 무엇인가요?
150GHz는 가장 민감한 감지기를 구축할 수 있는 주파수인 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 접근 방식은 괜찮지만 B 모드 패턴의 기원을 확인하려면 더 높은 주파수와 더 낮은 주파수 범위를 탐색해야 합니다. 그러나 지상 망원경의 검색 가능한 주파수를 선택하는 데에는 신호 대 잡음 제약이 있습니다. 예를 들어 지면에서 산소는 60GHz에서 무선 잡음을 방출하고 물은 120GHz에서 큰 소리를냅니다.
플랑크 위성과 같은 우주 기반 망원경은 중력에 의해 유도된 B 모드 편광 패턴을 찾는 데 더 잘 갖추어져 있습니까?
지상 기반 탐지기는 우주 기반 망원경보다 기술적으로 더 발전했습니다. 우주 장비의 설계는 발사 5~6년 전에 동결되어야 하기 때문입니다. 그러나 우주는 대기권보다 훨씬 깨끗한 환경입니다. 산소와 물 신호가 데이터를 오염시키고 특정 주파수의 사용을 제한하는 것에 대해 걱정할 필요가 없습니다. 우주 기반 망원경은 더 넓은 범위의 하늘을 탐색할 수 있지만 작동 비용이 훨씬 더 비쌉니다. 이는 절충안이지만 최대한의 적용 범위를 생성하려면 지상과 우주 모두의 데이터가 필요합니다.
플랑크는 BICEP2가 제안한 중력파 신호가 진짜인지 판단할 수 있나요?
먼지는 주파수가 높을수록 훨씬 더 밝아집니다. Planck는 353GHz 채널에서 작동하고 있습니다. 먼지는 BICEP2에서 검색한 150GHz보다 353GHz에서 20배 더 밝습니다. 플랑크가 353GHz에서 극성 먼지의 약한 신호만 감지한다면 중력파를 발견했다는 BICEP2의 주장에 더 많은 신뢰를 갖게 될 것입니다. 그러나 플랑크가 353GHz에서 많은 B 모드 편파를 관찰한다면 안타깝게도 BICEP2의 발견은 편파 먼지가 될 것입니다.
BICEP2에 대한 비판 중 하나는 연구원들이 1년 전 회의에서 공개된 플랑크 슬라이드에서 얻은 먼지 분포에 대한 요약 데이터를 고려했다는 것입니다.
BICEP2 팀원들이 플랑크 데이터를 잘못 분석했습니다. 그들은 먼지 분극이 B 모드 신호를 설명할 수 있는 가능성은 백만 분의 일에 불과하다고 주장했습니다. 플랑크 슬라이드에 표시된 요약 결과를 잘못 해석했기 때문입니다.
왜 원시 플랑크 데이터를 사용하지 않았나요?
플랑크의 원시 데이터는 연말까지 공개되지 않습니다.
BICEP2 과학자들에게 데이터에 대한 액세스를 요청했나요?
네, 하지만 그들은 데이터가 보정되지 않았다며 공개를 거부했습니다.
그러한 데이터를 보유하는 것이 일반적인 관행인가요?
데이터를 수집한 도구의 한계를 이해하는 과학자가 적절하게 보정할 때까지 원시 데이터를 비밀로 유지하는 것은 괜찮습니다. 하지만 귀하의 데이터를 바탕으로 논문을 출판할 의향이 있다면 해당 데이터를 공개해야 합니다.
이번 논란이 과학이 어떻게 작동하는지에 대한 대중의 인식에 어떤 영향을 미칠 것이라고 생각하시나요?
낙관적인 시나리오는 대중이 서로의 데이터를 확인할 때 과학에 도움이 되니 '이봐, 이거 대단해'라고 말할 것이라는 것입니다. 소시지를 깔끔하게 만들면 좋은 식당에서는 주방으로 통하는 창문이 있어도 문제가 없을 것입니다. 부정적인 측면은 내 우익 페이스북 친구 중 한 명이 말했듯이:과학자들이 중력파를 잘못 이해한다면 왜 우리는 지구 온난화에 대해 믿어야 합니까?
수정:이 기사는 WMAP 팀의 이론가로서 David Spergel의 역할을 반영하기 위해 2014년 7월 4일에 수정되었습니다. 그는 수석 조사관이 아니었습니다.
이 기사는 ScientificAmerican.com에 재인쇄되었습니다.
