아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따른 중력 연구

중력은 우리의 우주를 형성했습니다. 중력의 매력적인 영향은 초기 우주에 존재했던 물질의 양에서 작은 차이를 오늘날 우리가 보는 거대한 은하계로 바꾸었습니다. Dark Energy Spectroscopic Instrument(DESI)의 데이터를 사용한 새로운 연구는 이 우주 구조가 지난 110억 년 동안 어떻게 성장했는지 추적하여 매우 큰 규모에서 중력에 대한 지금까지 가장 정확한 테스트를 제공했습니다.

DESI는 전 세계 70개 이상의 기관에서 온 900명 이상의 연구자들이 참여하는 국제 협업으로, 에너지부 산하 로렌스 버클리 국립 연구소(버클리 랩)에서 관리합니다. DESI 연구원들은 새로운 연구에서 중력이 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 예측한 대로 작동한다는 것을 발견했습니다. 이 결과는 우리의 주요 우주 모델을 검증하고 예상치 못한 관찰을 설명하는 대안적인 방법으로 제안된 변형 중력에 대한 가능한 이론을 제한합니다. 여기에는 일반적으로 암흑 에너지에 기인하는 우리 우주의 가속 팽창이 포함됩니다.

"일반 상대성 이론은 태양계 규모에서 매우 잘 검증되었지만, 우리는 또한 우리의 가정이 훨씬 더 큰 규모에서 작동하는지 검증할 필요가 있었습니다."라고 새로운 분석을 공동으로 이끈 프랑스 국립 과학 연구 센터(CNRS)의 우주론자 폴린 자로크는 말했습니다. "은하가 형성되는 속도를 연구하면 이론을 직접 검증할 수 있으며, 지금까지는 일반 상대성 이론이 우주적 규모에서 예측하는 것과 일치하고 있습니다."

이 연구는 또한 질량이 아직 정확하게 측정되지 않은 유일한 기본 입자인 중성미자의 질량에 대한 새로운 상한을 제공했습니다. 이전의 중성미자 실험에서는 세 가지 유형의 중성미자 질량의 합이 최소 0.059 eV/c2 이어야 한다는 것을 발견했습니다. (비교를 위해 전자의 질량은 약 511,000 eV/c 2 입니다.) DESI의 결과는 합이 0.071 eV/c 2 미만이어야 하며 중성미자 질량에 대한 좁은 창이 남아 있음을 나타냅니다.

DESI 협업은 오늘 arXiv 온라인 리포지토리에 게시된 여러 논문에서 결과를 공유했습니다. 이 복잡한 분석은 약 600만 개의 은하와 퀘이사를 사용했으며 연구자들은 최대 110억 년 전을 볼 수 있습니다. DESI는 단 1년 분의 데이터로 구조의 성장을 가장 정확하게 측정했으며, 수십 년이 걸렸던 이전 노력을 능가했습니다.

오늘의 결과는 DESI의 첫해 데이터에 대한 확장된 분석을 제공하는데, 4월에 지금까지 가장 큰 3D 우주 지도를 만들었고 암흑 에너지가 시간이 지남에 따라 진화할 수 있다는 힌트를 보여주었습니다. 4월 결과는 바리온 음향 진동(BAO)으로 알려진 은하가 어떻게 클러스터링되는지의 특정 특징을 살펴보았습니다. "전체 형태 분석"이라고 하는 새로운 분석은 데이터에서 더 많은 정보를 추출하여 은하와 물질이 우주 전체에 걸쳐 다른 규모로 어떻게 분포되는지 측정하는 범위를 넓혔습니다. 이 연구에는 수개월의 추가 작업과 교차 검사가 필요했습니다. 이전 연구와 마찬가지로, 이 연구는 과학자들에게 결과를 끝까지 숨기는 기술을 사용하여 무의식적인 편견을 완화했습니다.

"우리의 BAO 결과와 전체 형태 분석은 둘 다 훌륭합니다." 미시간 대학 교수이자 DESI의 우주론적 데이터 해석 그룹의 공동 리더인 드라간 후터러가 말했습니다. "이것은 DESI가 우주 구조의 성장을 살펴본 첫 번째 사례입니다. 우리는 변형된 중력을 조사하고 암흑 에너지 모델에 대한 제약을 개선하는 엄청난 새로운 능력을 보여주고 있습니다. 그리고 그것은 빙산의 일각에 불과합니다."

DESI는 5,000개의 은하에서 동시에 빛을 포착할 수 있는 최첨단 기기입니다. DOE 과학 사무국의 자금으로 건설 및 운영되고 있습니다. DESI는 Kitt Peak National Observatory(NSF NOIRLab 프로그램)의 미국 국립 과학 재단의 Nicholas U. Mayall 4m 망원경에 장착되어 있습니다. 이 실험은 현재 5년 중 4년째 하늘을 조사하고 있으며 프로젝트가 끝날 때까지 약 4,000만 개의 은하와 퀘이사를 수집할 계획입니다.

이 협력은 현재 수집된 처음 3년 동안의 데이터를 분석하고 있으며, 2025년 봄에 암흑 에너지와 우주의 확장 역사에 대한 업데이트된 측정 결과를 제시할 것으로 기대하고 있습니다. 오늘 발표된 DESI의 확장된 결과는 진화하는 암흑 에너지에 대한 실험의 초기 선호도와 일치하며, 다가올 분석에 대한 기대감을 더해줍니다.

"암흑 물질은 우주의 약 4분의 1을 차지하고, 암흑 에너지는 또 다른 70%를 차지하는데, 우리는 둘 중 어느 것이 무엇인지 정확히 알지 못합니다." 새로운 분석을 위한 이론 및 검증 모델링 파이프라인을 연구한 버클리 랩과 UC 버클리의 박사 과정 학생인 마크 마우스의 말입니다. "우주의 사진을 찍고 이런 크고 근본적인 의문을 해결할 수 있다는 생각은 정말 놀랍습니다."

DESI는 DOE 과학 사무국과 DOE 과학 사무국 사용자 시설인 National Energy Research Scientific Computing Center의 지원을 받습니다. DESI에 대한 추가 지원은 미국 국립 과학 재단, 영국의 과학 기술 시설 위원회, Gordon and Betty Moore Foundation, Heising-Simons Foundation, 프랑스 대체 에너지 및 원자력 위원회(CEA), 멕시코의 National Council of Humanities, Sciences, and Technologies, 스페인의 과학 혁신부, 그리고 DESI 회원 기관에서 제공합니다.

DESI 협업은 토호노 오오담족에게 특별한 의미를 지닌 산인 이올리감 두아그(키트 피크)에서 과학적 연구를 수행할 수 있는 허가를 받게 되어 영광입니다.

여러 관련 논문: https://data.desi.lbl.gov/doc/papers/

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241120122655.htm