현재 이론으로는 설명할 수 없는 '무엇인가'가 우주의 성장을 억제하고 있다

현재 이론으로는 설명할 수 없는 '무엇인가'가 우주의 성장을 억제하고 있다

◆뭔가 잘못된 것 같다.

미국 미시간대(UM)에서 진행된 연구에 따르면 기존 우주론이나 아인슈타인의 일반상대성이론이 다루는 중력의 이해로는 우주의 대규모 구조 변화를 설명할 수 없는 것으로 나타났습니다.

현재의 우주론에서는 우주를 팽창시키는 암흑에너지와 우주를 수축시키는 중력의 작용이 작용하고 있어 암흑에너지가 이기고 있기 때문에 우주는 성장(가속팽창)을 계속하고 있다고 합니다.

그리고 은하가 연결된 우주의 그물망 '대규모 구조'의 형상도 이 이론에 따라 형태를 변화시키고 있다고 추측합니다.

그러나 연구자들이 관측 결과를 분석한 결과 대규모 구조의 변화속도는 시간이 지남에 따라 감속하고 있어, 오차로는 설명할 수 없는 수준에 도달한 것으로 나타났습니다.

물리학 역사에서는 이론과 관측 결과가 크게 괴리될 경우 종종 이론이 더 잘못되어 관측 결과를 설명할 수 있는 새로운 이론 탄생의 계기가 됩니다.

그렇다면 현행 우주론과 그 근거가 되고 있는 아인슈타인의 일반상대성이론(중력이론)은 수정되게 되는 것일까?

이에 관한 연구 내용의 상세한 것은 2023년 9월 11일에 「Physical Review Letters」에 게재되었습니다.

 

◆ 모든 것이 빅뱅에 의해 탄생한 지 137억8700만 년

우주는 빛의 속도를 넘는 속도로 팽창을 계속해, 그 직경이라고도 할 수 있는 「관측 가능」한 우주의 넓이는 137억년보다 훨씬 큰, 930억 광년(28 기가 퍼섹)에 이른다고 추측하고 있습니다.

그리고 이 광대한 우주에는 무수한 은하가 그물 모양으로 분포하는 '대규모 구조'가 구성되어 있습니다.

다만 이 대규모 구조도 불변의 존재는 아니며, 시간이 지남에 따라 은하들은 서로의 중력으로 접근하면서 그물의 굵기가 압축되고 고밀도화되는 한편 그물코 부분에서는 점점 물질이 적어지는 것으로 생각되고 있습니다.

우리 은하수도 옆에 있는 안드로메다 은하와 중력으로 서로 끌어당기고 있어 40억 년 후에는 대규모 충돌을 일으킬 것으로 알려져 있습니다.

그러나 서로 끌어당기는 중력이 있는 한편 우주 전체의 팽창속도는 암흑 에너지에 의해 계속 가속되고 있는 것으로 알려져 있습니다.

따라서 대규모 구조의 형상 변화를 예측할 때는 중력에 의한 고밀도화와 암흑 에너지에 의한 우주 팽창의 두 가지를 고려하여 계산을 하도록 되어 있었습니다.

단지 최근 들어 암흑 에너지와 관련된, 우주의 팽창율을 나타내는 허플 상수가, 관측마다 크게 다른 값을 기록하는 것이 밝혀져 왔습니다.
예를 들어 정기적으로 증광하는 별을 기준으로 측정한 경우와 우주 마이크로 배경 복사를 기준으로 측정한 경우에는 10% 정도나 값에 차이가 나 버렸던 것입니다.


◆ 일상 세계에서는 10%라고 하면 오차인 것 같다.

그러나 측정이 이루어질 때마다 불일치가 발생하고 있어 더 이상 사소한 오류로 무시할 수 없습니다.
이러한 불일치는 우주론 자체, 특히 암흑 에너지의 이해에 대해 치명적인 실수가 도사리고 있다고 할 수 있습니다.

그래서 이번에 미시간대학 연구자들은 마이크로파 배경복사나 중력렌즈 효과 등 다른 시기에 서로 다른 대칭을 관측한 여러 탐사선의 데이터를 분석해 과거부터 현재까지 우주의 대규모 구조가 어떻게 변화해 왔는지 알아보기로 했습니다.

기존 우주론에 문제가 있다면 우주론을 바탕으로 예측되는 대규모 구조 변화에 대해서도 이론치와 관측 결과 사이에 큰 차이가 생길 수 있었기 때문입니다.
그러자 예상대로 우주의 대규모 구조의 형상 변화가 이론에서 예측하고 있는 것보다 상당히 느린 것으로 나타났습니다.

그리고 변화의 지연은 과거에서 현재로 가까워질수록 커지고 있는 것도 밝혀졌습니다.

또 연구자들은 자신의 측정치의 확실성을 평가한 결과 표준 우주이론이 올바른 경우에 이번과 같은 데이터 패턴이 나타나는 것은 4600분의 1(3.7)인 것으로 나타났습니다.

즉 관측 결과가 옳을 경우 기존 우주론이 옳을 확률은 4600분의 1밖에 되지 않습니다.

이 결과는 현재 중력과 암흑 에너지를 바탕으로 한 기존 우주론으로는 실제로 우주에 일어나고 있는 변화를 설명하지 못할 가능성을 보여줍니다.

그러나 연구자들은 데이터 분석을 계속하면서 더 충격적인 발견을 했습니다.

분석 결과는, 이 어긋남을 일으키고 있는 원인이, 대규모 구조의 변화에 있어서 중력이 하는 역할이 생각했던 것만큼 강하지 않고 암흑 에너지의 영향이 더 높기 때문임을 나타내고 있었기 때문입니다.

또 암흑에너지 자체에 대규모 구조의 변화를 억제하는 효과가 있을 가능성이 발견됐습니다.

우주공간에 있는 물체는 모두 중력의 영향을 받고 있으며 행성이나 은하가 회전하는 구조는 아인슈타인의 일반상대성이론에 따라 중력으로 설명하는 것이 가능할 것으로 보입니다.

따라서 우주론에서는 아인슈타인의 일반상대성이론(중력이론)을 바탕으로 암흑에너지에 의한 우주팽창의 영향을 가미하는 방법이 취해지고 있습니다.
(※암흑에너지 자체가 아인슈타인 이론의 부산물이라고도 할 수 있습니다.)

그러나 대규모 구조의 변화에 있어서 중력의 영향은 제한적이었고 암흑 에너지에 의한 팽창과 암흑 에너지에 의한 구조 변화 억제가 주된 역할을 담당하고 있었습니다.

그렇게 되면 문제는 더 심각해진다.

연구결과가 맞다면 이 결과는 대규모 구조수준에 이르면 우주론뿐만 아니라 그 기초가 되는 아인슈타인의 일반상대성이론(중력이론)도 제대로 기능하지 못하고 있음을 보여줍니다.

아인슈타인의 일반상대성 이론은 뉴턴 물리학의 상위 호환하며 물리학의 기초로서 우리가 세계를 인식하기 위한 기본적인 수단이 되고 있습니다.

만약 이 이론이 통용되지 않는 측면이 존재한다면, 우리는 현실의 구조를 이해하기 위해 대체 물리 법칙을 처음부터 다시 설계해야 할 것입니다.

연구자들은 우주의 대규모 구조가 어떻게 변화해 왔는지를 정확하게 설명하는 이론이 생긴다면 중력과 암흑 에너지의 알려지지 않은 성질을 풀어내는 힌트가 될 것이라고 말합니다.

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Something Is Suppressing The Growth of The Universe, Physicists Say
https://www.sciencealert.com/something-is-suppressing-the-growth-of-the-universe-physicists-say

Evidence for Suppression of Structure Growth in the Concordance Cosmological Model
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.111001

Evidence for Suppression of Structure Growth in the Concordance Cosmological Model