암흑물질이 존재하지 않고 우주의 나이는 267억 년으로 하는 이론의 실증에 성공!

암흑물질이 존재하지 않고 우주의 나이는 267억 년으로 하는 이론의 실증에 성공!

암흑물질은 존재하지 않을 수도 있습니다.
캐나다 오타와대학(uOttawa)에서 진행된 연구에 의해 우주의 나이가 기존의 2배 가까운 267억 년이며 암흑물질이 존재하지 않을 가능성이 나타났습니다.
새로운 이론은 은하수 은하의 회전 속도에서 멀리 떨어진 우주 마이크로 배경 복사에 걸친 최근 관측 결과, 양쪽에서 일치하는, 설득력을 가지고 있습니다.

연구자들은 이번 성과로 "우주의 나이가 267억 살인 동시에 우주가 존재하는 데 암흑물질을 필요로 하지 않는다는 것을 뒷받침할 수 있었다"고 말했습니다.
지금까지 암흑물질에 대해 의문을 제기하는 논문은 여러 편 있었지만, 실제 관측 결과와 일치하면서 암흑물질을 배제한 논문은 이번이 처음입니다.

자세한 연구 내용은 2024년 3월 15일자로 「The Astrophysical Journal」에 공개되어 있습니다.

◆ 암흑물질은 관측 결과로부터 이론을 보강하기 위한 보충제로 탄생했다

암흑물질은 관측 결과로부터 이론을 보강하는 보충제로 탄생했다

암흑물질은 통상의 물질, 빛(光), 전력(電力), 자력(磁力) 등 모든 것과 상호작용하지, 않고 오직 하나의 중력에만 관련된 '보이지 않는 물질'로 정의하고 있습니다.
예를 들어 통상적인 물 분자가 어떤 위치 좌표에 암흑물질을 설치해도 서로 상호작용하지 않기 때문에 서로 밀어 내지 않고 함께 있는 것이 가능합니다.

또한 빛이나 전자기력과 상호작용하지 않고 중력만을 따르기 때문에 직접적으로 측정하려면 중력 감지장치가 필요합니다.
이러한 '보이지 않는 물질'의 존재를 이야기하게 된 이유 중 하나가 은하 내 별들의 회전속도 측정 결과에 있었습니다.
은하 내부의 별들은 태양계의 행성과 마찬가지로 중심 부분이 빠르고 가장자리부분이 느리게 돌고 있습니다.

하지만 별들의 도는 속도를 자세히 측정했는데, 은하 가장자리 별들의 도는 속도가 예상보다 훨씬 빠른 것으로 나타났습니다.
또한 중력렌즈라고 하는 천체에 의한 공간의 굴곡을 이용한 렌즈가 예상보다 강력한 이유로도 암흑물질의 존재가 추가설명하고 있습니다.

이처럼 암흑물질은 이론과 관측 결과의 틈을 메우기 위한 것으로 이용하게 되었습니다.
관측할 수 없는 암흑물질의 존재를 추가함으로써 기존의 이론이 실제로 원활하게 기능한 것입니다.

어떤 의미에서 암흑물질은 기존의 우주론을 '관측 결과의 폭력'으로부터 보호하기 위한 보충제로 기능해 왔다고 할 수 있을 것입니다.
나머지는 암흑물질의 존재를 확인할 수 있으면 모든 것은 원만하게 정리됩니다.

그러나 암흑물질을 검출하려는 모든 시도는 계속 실패하였습니다.
인류가 생각할 수 있는 모든 방법으로 시도해도 아무런 흔적을 찾을 수 없었습니다.

또한 기존 우주론의 시련은 계속되었습니다.
최근 제임스 웹 우주망원경(JWST)에 의한 관측에 의해 기존 우주론에서는 존재해서는 안 되는 구조·형상을 한 은하가 발견되었습니다.

기존의 우주론에서는 관측된 은하가 그 구조나 형상이 되기까지는 수십억 년이 걸린다고 여겼기 때문입니다.
10억 살의 우주에서 수십억 살의 은하가 발견되었기 때문에 둘러대기는더욱 곤란하게 될 것입니다.
(※마찬가지로 기존의 우주론에서는 「존재해서는 안 되는 은하」는 차례차례로 발견되고 있습니다.)

그래서 최근에는 기존 우주론의 보충제로서의 암흑물질을 단념하고 암흑물질에 의존하지 않고 기능하는 새로운 우주론을 모색하는 시도가 서서히 늘어왔습니다.
예를 들어 2024년 1월 8일 발표된 논문에서는 아주 멀리 떨어진 위치를 둘러싼 쌍성(雙星)을 관측함으로써 기존 우주론의 토대가 되는 뉴턴역학이나 아인슈타인의 중력이론이 틀렸을 가능성을 보여주었습니다.

대신 이 연구에서는 새로운 '수정 뉴턴역학(MOND)'이 제안되었으며, 수정 뉴턴역학(MOND)가 암흑물질의 도움 없이도 쌍성(雙星)의 움직임을 예측할 수 있음을 보여주었습니다.
(이 MOND에서는 장거리 사이에서 움직이는 미세한 중력이, 이론치보다 높은 것이 나타나고 있습니다)

한편, 일본 오타와대학의 연구자가 새롭게 제시한 이론에서는, 좀 더 다른 각도에서 파고들고 있습니다.

◆ 새로운 이론은 암흑물질 없이 관측 결과에 부합한다.

양자의 수치 자체는 다르지만 기울기(비율)는 비슷하다 / Testing CCC+TL Cosmology with Observed Baryon Acoustic Oscillation Features.

기존의 이론에서는 입자의 상호작용과 관련된 중력 등의 자연적인 힘의 강도 '결합상수'는 시간이 경과해도 변화하지 않는다고 보고 있었습니다.
또 빛의 강도도 시간이 지나도 변하지 않고, 아무리 긴 거리를 가도 에너지는 상실되지 않는다고 생각하고 있었습니다.

그러나 새로운 이론에서는, 이 자연적인 힘의 강도 「결합상수」가 시간경과와 함께 약해지거나(CCC 이론), 장거리를 이동한 빛은 약해져 에너지를 잃는다(TL 이론)라고 하는 개념이 포함되어 있습니다(CCC+TL 이론).

어느 이론도 단독으로 이용하는 경우에는 문제가 있지만, 새로운 이론 「CCC+TL 이론」에서는 그 이름대로, 2개를 조합한 것입니다.
이론이 완성되자 연구자들은 먼저 은하 중심부와 가장자리 부분의 회전 속도가 이론값과 일치하는지를 알아보았습니다.

기존 우주론에서는 암흑물질에 의존하지 않으면 올바른 회전 속도를 이끌 수 없습니다.
그러나 새로운 'CCC+TL' 이론을 적용한 결과 암흑물질이 없는 상태에서도 중심부와 가장자리 부분의 관측된 회전속도는 일치하는 것으로 밝혀졌습니다.

우주 배경복사에는 희미한 패턴이 새겨져 있는 것으로 알려져 있습니다.

우주 배경 복사에는 희미한 패턴이 새겨져 있는 것으로 알려져 있다

다음으로 연구자들은 우주 마이크로 배경복사에서 보이는 특수한 진동패턴(바리온 음향 진동:BAO)의 관측 결과를 사용해, 검증을 했습니다.
우주 마이크로 배경복사에서 볼 수 있는 짙고과 옅은 부분 중 진한 부분은 그 후의 은하계 별의 핵이 되어, 우주 전체의 가시 물질의 확대를 예측하는 것이 가능합니다.

그러면, 새로운 「CCC+TL 이론」은, 배경 복사의 특정의 특징과 일치하는 것이 판명됩니다.
이러한 결과는 새로운 「CCC+TL 이론」은 은하를 둘러싼 별들의 회전 속도나 우주 마이크로 배경 복사에 이르기까지 폭넓은 영역에서, 관측치와 일치하고 있음을 나타내고 있습니다.

지금까지 암흑물질의 존재를 부정하는 많은 이론 연구가 이루어졌지만, 실제로 암흑물질을 배제한 이론과 실제 관측 결과가 일치한 예는 이번이 처음입니다.
또 새로운 'CCC+TL 이론'이 성립할 경우 우주의 나이는 267억 살이 되는데, 이 점도 '존재해서는 안 되는 은하'의 나이 문제를 해결합니다.

기존 우주의 나이를 137억 년으로 하는 이론에서는 '우주가 10억 살 때(127억 년 전에) 수십억 살의 은하가 존재한다'는 모순이 생기지만, 우주의 나이가 267억 살이라면 '127억 년 전 우주에 수십억 살의 은하가 존재'해도 문제가 없습니다.

또 CCC+TL 이론이 맞다면 우주의 가속도적 팽창 메커니즘도 달라집니다.
기존 우주론에서는 우주의 가속도적인 팽창은 암흑 에너지 때문이라고 합니다.

새로운 이론에서도 우주의 가속도적인 팽창은 부정하지 않지만, 그 원인은 우주가 팽창하는 것과 연동하여 '자연의 힘'이 약화되기 때문이라고 말하고 있습니다.
여기서 말하는 자연의 힘이란 가장 기본적인 4가지 힘 '중력·강한 힘·약한 힘·전자기력' 등이 상당합니다.

새로운 이론은 암흑물질 없이 관측 결과와 부합하는 이론으로서 상당히 유력한 것이라고 할 수 있을 것입니다.
단지 우주 물리학자의 전원이 새로운 이론에 동의하고 있는 것은 아닙니다.

기존의 암흑물질에 의존한 우주론은 '존재해서는 안 되는 은하'가 관측되거나 멀리 떨어진 쌍성의 움직임을 예측할 수 없는 등 몇 가지 문제점이 있는 것은 확실하지만, 그 외에는 대체로 잘 되고 있습니다.

따라서 우주의 나이에 대해 공개적으로는 아직 '137억 살'이라고 할 수 있을 것입니다.

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Physicist Claims Universe Has No Dark Matter And Is 27 Billion Years Old
https://www.sciencealert.com/physicist-claims-universe-has-no-dark-matter-and-is-27-billion-years-old

Testing CCC+TL Cosmology with Observed Baryon Acoustic Oscillation Features
https://doi.org/10.3847/1538-4357/ad1bc6