암흑 에너지가 '진화'하고 있다는 연구 결과, '우주의 끝'에 관한 예상을 결정지을 가능성이 있는 발견

암흑 에너지가 '진화'하고 있다는 연구 결과, '우주의 끝'에 관한 예상을 결정지을 가능성이 있는 발견

미국 킷피크 국립천문대에 있는 '다크 에너지 분광장치(DESI)' 관측으로 우주를 팽창시키고 있는 암흑에너지(dark energy)가 변화하고 있을 가능성이 있다는 것이 밝혀졌습니다. 우주의 가속팽창이 수축으로 돌아서고, 이윽고 빅뱅과 같은 특이점으로 수렴하는 우주의 마지막 '빅 크런치(Big Crunch)'를 시사하는 이 성과는 우주의 가속팽창 발견 자체만큼이나 혁명적인 발견이라고 자리잡고 있습니다.
   *big crunch는 우주가 어떤 상태가 되고 끝나는가 하는 이론적 가능성의 하나. 우주는 현재 가속 팽창하고 있지만, 이윽고 가속 팽창의 원인인 다크 에너지 보다 중력의 효과가 더 강해져 가속 팽창이 끝나고, 우주는 수축으로 돌아가 결국 빅뱅과 같은 고밀도 상태로 되돌아간다고 하는 것을 말한다.

전 세계 70개 이상의 연구기관에서 900명 이상의 연구자가 모여 결성된 다크에너지분광장치(DESI) 관측팀은 2024년 4월 DESI의 초기 관측 데이터를 바탕으로 한 일련의 성과를 발표했습니다. 그 중에는 빅뱅 직후에 나타난 밀도의 흔들림의 자취인 바리온 음향 진동의 계측에 의해 만들어진 우주의 3D 맵도 있습니다.

지금까지 최대의 우주 맵 작성은 그것만으로도 큰 공적이지만, 과거 110억 년에 걸쳐 다크 에너지가 우주의 구조에 주어 온 영향을 포착한 이 관측 데이터의 분석 결과, 다크 에너지가 시간의 경과와 함께 약해져 있을 가능성이 있다는 것도 밝혀졌습니다.

주류의 우주관과는 전혀 다른 우주의 미래를 암시하는 이 발견에 대해, 콜롬비아에 있는 ECCI대학의 우주학자이자 전 DESI 멤버인 Luz Ángela Garc ía Peñaloza는, 「이 결과 발표는, 우주론에 있어서 훌륭한 날이 되었습니다. 특히 중요한 것은 다크 에너지는 진화하고 있으며 불변하지 않는다는 것입니다. 만약 이것이 미래의 데이터로 뒷받침된다면, 진화하는 다크 에너지의 발견은 우주의 가속 팽창의 발견만큼 혁명적인 것이 될 것입니다」라고 이야기하고 있습니다.


현행 우주론에서 가장 유력한 모델인 'lub-CDM 모델'에서는 우주에 존재하는 물체와 에너지의 약 70%를 차지하는 다크 에너지는 'lub(람다)', 즉 우주 상수로 표현됩니다.

이 우주상수가 처음 등장한 것은 앨버트 아인슈타인이 일반상대성이론을 발표했을 때의 일이다. 1915년 아인슈타인이 이 이론으로 중력의 성질을 풀어낸 2년 뒤인 1917년 아인슈타인과 네덜란드 천문학자 윌렘 드 지터는 이 이론으로 우주를 기술할 수 있음을 실증했습니다.

하지만 일반상대성이론에는 한 가지 문제가 있었습니다. 그것은 이 이론에 근거하면 우주가 늘어나거나 수축해 버린다는 것입니다. 지금이야 우주가 팽창하고 있는 것으로 알려져 있지만, 당시에는 '우주는 신이 만들었으니까 과거부터 미래까지 변하지 않을 것이다'라는 생각이 지식인들 사이의 상식이었고, 20세기 가장 유연한 두뇌의 소유자 중 한 명으로 꼽히는 아인슈타인도 예외는 아니었기 때문에 아인슈타인은 방정식에 모종의 '속임 계수'를 덧붙였습니다.이것이 우주항, 즉 우주상수 Λ입니다.

인력을 상쇄하여 우주를 확대하려는 힘 '척력'을 낳는 우주상수에 의해 우주는 위태로운 균형을 이루면서도 어떻게든 정지상태를 유지하고 있었습니다. 그러나 1929년 에드윈 허블이 먼 곳의 은하를 관측하여 그것이 적색편이하고 있다는 것, 즉 아주 빠른 속도로 멀어지고 있다는 것을 밝혀내자 이것이 우주가 팽창하고 있다는 것의 발견으로 이어졌습니다.

방정식에서 우주항을 삭제하게 된 아인슈타인이 우주항 도입을 '인생 최대의 실패'라고 뉘우쳤다는 일화는 유명합니다.
그 후인 1998년, 초신성의 관측에 의해 우주가 팽창하는 속도를 측정하려고 했던 2개의 천문학자 팀이, 우주의 팽창이 예상보다 빠르고, 거기에 그치지 않고 커녕 팽창 속도가 가속하고 있는 것을 밝혀내자, 우주를 가속 팽창시키고 있는 수수께끼의 척력인 다크 에너지로서 다시 「ube」가 각광을 받게 되었습니다.

우주 상수를 포함한 lub-CDM 모델은 지금까지 보고된 많은 관측 사실에 의해 뒷받침되고 있습니다. 그리고 이 이론을 바탕으로 우주는 이대로 팽창을 계속해 별들이 타버리는 빅 프리즈 (Big Freeze 또는 Big Chill. 빅뱅 우주론에 입각한 우주 종말 가설. 빅 크런치와 반대되는 개념의 우주 종말로, 열적사멸이라고도 한다)나 혹은 시공 자체가 찢어지는 빅 립(Big Rip. 우주의 종말에 대한 우리 우주의 가설 모델 중 하나로 항성과 은하에서 원자와 기본 입자 등 우주의 모든 물질과 심지어는 시공간 그 자체가 먼 미래에 우주팽창으로 인해 점진적으로 찢어진다는 가설)에 의해 끝을 맞이한다고 여겨져 왔습니다.

그러나 이번 DESI의 관측을 통해 다크 에너지는 일정하지 않게 변화하고 있으며, 시간이 지남에 따라 약화되고 있을 가능성이 나타났습니다. 이러한 의미에 대해서, García Peñaloza는 「만약 이것이 진실이라면, 머지않아 우주의 가속 팽창이 끝나고, 머지않아 역전해 중력의 영향으로 수축하기 시작할지도 모릅니다. 그렇게 되면 최종적으로 이 우주는 빅 크런치 시나리오로 끝날 수 있다」고 말했습니다.

이번에 발표된 것은 어디까지나 DESI가 관측 개시로부터 1년 사이에 모은 데이터에 의한 것입니다. 향후, 축적된 데이터의 새로운 분석이 진행됨으로써, 우주의 과거나 미래의 모습을 보다 정확하게 알 수 있게 될 것으로 보입니다.

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First year of DESI results unveil new clues about dark energy
https://news.osu.edu/first-year-of-desi-results-unveil-new-clues-about-dark-energy/

Dark energy could be getting weaker, suggesting the universe will end in a 'Big Crunch' | Space
https://www.space.com/desi-cosmological-constant-dark-energy-history

Dark energy is tearing the Universe apart. What if the force is weakening?
https://www.nature.com/articles/d41586-024-01273-4