1,700개 초신성 재분석, 우주 가속 팽창에 의문 제기

새로운 연구는 초신성 데이터에 있는 것으로 의심되는 편향을 바로잡으면, 현대 우주론에서 가장 유명한 발견 중 하나인 가속 팽창 우주에 대한 근거가 성립하지 않는다고 주장합니다. 이 연구는 뭄바이의 Tata Institute of Fundamental Research 연구진과 Oxford 대학의 명예교수 Subir Sarkar가 함께 이끌었으며, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society에 게재되었습니다. 이 연구는 Ia형 초신성(Type Ia supernova)이라 불리는 1,700개 이상의 폭발하는 별들을 모아 놓은 Pantheon+ 목록을 재검토하는데, 이 목록은 25년 넘게 우주가 얼마나 빠르게 팽창하는지를 측정하는 데 사용되어 왔습니다.

우주의 팽창이 중력에 의해 예상되는 것처럼 느려지는 것이 아니라 오히려 점점 빨라지고 있다는 최초의 발견은 2011년 노벨 물리학상을 수상했으며, 진공에서 발생하는 것으로 여겨지며 공간을 밀어내는 신비한 힘인 '암흑 에너지(dark energy)'라는 개념으로 이어졌습니다. Sarkar와 그의 동료 Animesh Sah, Mohamed Rameez는 이 초신성으로 폭발하게 되는 별들의 나이를 고려하는, 최근 제안된 보정법을 적용했습니다. 이를 적용한 결과, 데이터는 더 이상 모든 방향에서 균일하게 가속 팽창하는 우주를 뒷받침하지 않는다는 것을 발견했습니다. 대신 이들의 분석은 팽창이 전체적으로 느려지고 있음을 시사합니다.

같은 학술지 호에 함께 게재된 별도의 논문은 University of Southampton이 주도하고 Oxford의 부교수 Maria Vincenzi가 참여했는데, 정반대의 결론에 도달하여 여전히 증거가 가속 팽창 우주를 가리킨다고 주장합니다. 두 논문은 정면으로 상충하며, 자료들은 어느 쪽 결론이 옳을지에 대한 단서를 제공하지 않습니다.

Ia형 초신성은 폭발 시 비교적 일정한 밝기에 도달하는 것으로 여겨지기 때문에 우주 거리를 측정하는 데 유용합니다. 이 덕분에 천문학자들은 이를 '표준광원(standard candle)'으로 취급하여, 겉보기 밝기가 어두워지는 정도로 거리를 알아낼 수 있습니다. Sarkar는 이 밝기가 실제로는 폭발을 일으킨 별 시스템의 나이에 따라 달라진다는 증거가 점점 늘고 있다고 설명했습니다. 이러한 의존성을 고려하지 않으면 실제로는 존재하지 않는 가속 팽창처럼 보이는 결과가 나올 수 있다고 그는 말했습니다.

이와 관련된 독립적인 증거의 흐름도 같은 방향을 가리킵니다. 한국의 Yonsei University 연구팀이 별도로 발표한 연구에서는 300개의 모은하 표본을 바탕으로, 매우 높은 통계적 신뢰도로 어떤 체계적 효과를 보고했습니다. 즉 표준 보정을 거친 후에도 젊은 항성 집단에서 나온 초신성은 예상보다 체계적으로 어둡게 나타나고, 나이 든 항성 집단에서 나온 초신성은 더 밝게 나타난다는 것입니다. 이 편향을 보정하자 데이터는 고정된 암흑 에너지를 가정하는 표준 우주론 모형과 더 이상 맞지 않았고, 대신 암흑 에너지가 시간이 지나면서 약해지는 모형과 더 잘 맞았습니다. 이 모형은 초기 우주에서 남은 음파 패턴과 우주 마이크로파 배경을 이용한 Dark Energy Spectroscopic Instrument(DESI) 프로젝트의 별도 측정에서 도출된 것입니다.

Sarkar의 연구팀은 또한 겉보기 가속 팽창이 모든 방향에서 동일한지, 즉 표준 우주론 모형이 참으로 가정하는 등방성(isotropy)이라는 성질을 검토했습니다. 이들은 추론된 가속이 우주 마이크로파 배경의 한 열점(hotspot)으로 표시되는, 우리 은하가 국소적으로 움직이는 방향을 따라 주로 향해 있으며, 거리가 멀어질수록 약해진다는 것을 발견했습니다. 암흑 에너지의 정체로 여겨지는 진공에서 비롯된 효과는 방향에 의존할 수 없기 때문에, 이러한 패턴은 나이 보정 적용 여부와 관계없이 암흑 에너지를 원인에서 배제하게 됩니다. 그들의 말에 따르면 보정을 적용하면 남아 있는 방향 무관 신호가 실제 감속으로 바뀌어, 다시 한번 암흑 에너지를 배제하게 됩니다.

이는 Ia형 초신성 데이터에서 이러한 방향성 효과를 검증하려는 첫 시도가 아닙니다. 이전의 연구는 회전과 팽창을 함께 허용하는 수정된 우주 모형을 사용하여 수백 개의 초신성 표본에서 이방성(anisotropy)의 유의미한 신호를 발견하지 못했지만, 그 결과로 얻어진 이방성 한계는 비교적 약한 것으로 기술되어, 작은 효과는 배제할 수 없음을 의미했습니다. Union2, Pantheon, 감마선 폭발 데이터셋을 이용한 별도의 연구는 방향에 따라 달라지는 암흑 에너지 모형에서 있을 수 있는 선호 방향을 조사했으며, 일부 모형 비교에서 선호 축이 이전 연구들에서 보고된 결과와 비슷하다는 것을 발견했지만, 어떤 데이터셋과 모형을 조합하느냐에 따라 결과가 달랐습니다.

가속 팽창 증거의 강도에 대한 의문은 새로운 것이 아닙니다. Nature에 발표된 한 연구는 흔히 쓰이는 카이제곱 값 최소화 기법 대신 통계적으로 엄밀한 최대우도(maximum-likelihood) 방법을 사용하여 Joint Lightcurve Analysis 목록에 있는 740개의 초신성을 분석했으며, 연구자들 자신의 표현을 빌리면 우주 팽창이 현재 가속되고 있다는 주장에 대해 '한계적인(marginal)' 증거만을 발견했습니다. 그 논문은 초신성 밝기에 적용되는 경험적 보정을 통계 모형에서 제대로 반영하면, 데이터가 '여전히 일정한 팽창 속도와 상당히 부합한다'고 지적했습니다.

종합하면, 자료들은 완전히 정리된 적이 없는 일련의 증거들을 묘사하고 있습니다. 초기의 통계적 비판에서부터 방향성 검증, 그리고 최신의 나이 보정 연구에 이르기까지 말입니다. 달라진 것은 합의가 아니라, 서로 다른 각도에서 표준적인 그림에 의문을 제기하는 독립적인 연구팀의 수입니다. 하나는 원래 적합의 통계를 통해서, 하나는 하늘의 방향을 통해서, 그리고 하나는 별들 자체의 나이를 통해서입니다.

Sarkar의 연구팀은 다음 단계로 Vera C. Rubin Observatory의 Legacy Survey of Space and Time에서 나올 것으로 예상되는 훨씬 더 큰 데이터셋을 이용해 이 결과를 검증할 계획이라고 밝혔습니다. 이 관측은 현재의 Pantheon+ 목록보다 대략 두 자릿수 더 많은, 수십만 개의 초신성을 측정할 것으로 예상됩니다. Yonsei가 주도하는 팀은 별도로 '진화-무관 검증(evolution-free test)'이라 부르는 방법을 진행 중인데, 측정된 전체 적색편이 범위에 걸쳐 젊고 나이가 비슷한 모은하에서 나온 초신성만을 사용하며, 첫 결과가 팀의 주된 결론인 감속하는 우주를 뒷받침한다고 보고합니다. 그 연구의 공동저자 한 명은 앞으로 5년 안에 Rubin이 발견할 수만 개의 새로운 초신성 모은하 덕분에 별들의 나이를 훨씬 더 정밀하게 측정할 수 있게 되어, 이 논쟁에 대한 더 강력한 검증을 제공할 것이라고 말했습니다.

현재로서는 이 분야는 관련 데이터로부터 상반된 결론에 도달한 두 개의 동료 심사를 거친 논문이 나란히 발표된 상태이며, 여기에 원래의 가속 신호의 강도와 방향 모두에 의문을 제기하는 더 오래된 독립 연구들이 더해져 있습니다. 만약 나이 보정 결과가 확인된다면, Oxford가 주도한 팀과 Yonsei가 주도한 팀 모두 이는 20여 년 전 가속 팽창과 암흑 에너지의 발견 이후 우주론에서 중대한 전환점이 될 것이라고 말합니다. 자료들은 이것이 아직 정리된 문제가 아니라 열려 있고 논쟁 중인 문제로 남아 있음을 분명히 하고 있습니다.