우주의 가속팽창을 일으키는 암흑에너지가 아인슈타인의 우주상수가 아니라 시간에 따라 크기가 달라질 수 있는 '제5원소'라는 주장이 국내 연구진이 주도한 국제공동연구진에서 제기됐다.

7일 고등과학원에 따르면 박창범 고등과학원 물리학부 교수가 이끄는 국제공동연구진은 이같은 내용을 담은 연구결과를 천체물리학저널에 8일 자로 게재한다.

이번 연구에는 교신저자인 박 교수 외에도 동 푸유 중국 윈난대학 교수(제1저자), 홍성욱 한국천문연구원 박사, 김주한 고등과학원 연구교수, 황호성 서울대 교수, 박현배 로런스 버클리 국립연구소 박사, 스티븐 애플비 아시아태평양이론물리센터 교수가 참여했다.

▲ 박창범 연구진이 활용한 슬로운디지털천구측량(SDSS) 탐사에 활용된 미국 아파치 천문대의 2.5m 망원경 사진.

현재 가장 널리 인정되는 우주모형인 평탄한 람다(∧)CDM 우주모형에서는 우주의 가속팽창을 일으키는 암흑에너지가 아인슈타인의 우주상수라고 가정한다.

지난 20여년간 큰 규모의 물질 밀도 요동, 초신성의 밝기, 바리온음향진도의 크기 등 다양한 관측을 이용해 암흑에너지의 상태방정식과 우주공간의 곡률을 측정한 결과, 모든 결과가 오차 범위 안에서 우주상수의 상태방정식 값인 -1에 부합돼, 평탄한 ∧CDM 모형은 표준 우주모형으로 불렸다.

하지만 연구진은 적색이동 값이 0.8까지 도달하는 거대한 은하 탐사인 슬로운디지털천구측량(SDSS) 자료를 이용해 암흑에너지의 상태방정식 값을 정밀하게 측정해보니 그 값이 -1과 분명히 다름을 밝혀냈다고 전했다.

연구진은 SDSS의 은하들이 뭉쳐있는 형태가 시간에 따라 거의 바뀌지 않는다는 성질을 발견하고 이를 알콕-파친스키 방법이라는 우주의 팽창역사 측정법에 적용했다.

이에 따르면, 우리 우주의 팽창 가속도는 ∧CDM 모형에서 예상되는 정도보다 적게 나타났다. 암흑에너지의 상태방정식 값은 -0.903이고 불확실성은 0.023으로 측정됐다. 이 결과가 상태방정식 값이 -1인 우주상수 모형과 부합할 확률은 0.02% 정도에 불과하다고 연구진은 전했다.

연구진은 이에 따라 우리 우주의 가속팽창을 일으키는 암흑에너지는 우주상수가 아니라, 일종의 '제5원소'여야 한다고 결론 내렸다.

연구진은 현재 SDSS보다 우주를 더 깊이 볼 수 있는 차세대 은하 탐사인 암흑에너지분광장비(DESI) 탐사 자료에 같은 방법을 적용해 암흑에너지의 상태방정식 값이 시간에 따라 어떻게 변하는지에 관한 후속 연구를 수행하고 있다고 덧붙였다.

박창범 교수는 "현재 ∧CDM 표준 우주모형 외에도 다양한 암흑에너지와 우주 모형이 존재하는데, 이 중에는 이번 연구에서 구한 암흑에너지의 상태방정식 값을 가지면서 동시에 허블상수 관측값 불일치도 해결할 가능성이 있는 이론도 여럿 존재한다"며 "지난 수십년간 ∧CDM 표준 우주모형이 일궈낸 성과를 훼손하지 않으면서도 이번 연구결과도 잘 설명할 수 있는 새로운 우주모형을 만드는 후속연구가 필요하다"고 말했다.

과학팀  press@jeonpa.co.kr

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