새로운 증거에 따르면 아인슈타인의 우주상수가 틀렸을 가능성이 있다.

새로운 데이터는 우주를 가속하는 힘인 암흑 에너지가 결국 일정하지 않을 수 있음을 시사합니다. 과학자들은 우주의 운명에 대한 우리의 이해를 바꿀 수 있는 악시온 유사 입자를 포함하는 진화하는 모델을 탐구하고 있습니다. 출처: AI/ScienceDaily.com

우주의 가속 팽창을 주도하는 것으로 여겨지는 신비한 힘인 암흑 에너지는 현대 물리학에서 가장 심오한 수수께끼 중 하나로 남아 있습니다. 오랫동안 주요 설명은 이 에너지가 일정하다는 것, 즉 우주의 가속 팽창을 담당하는 빈 공간의 불변하는 속성이라는 것이었습니다. 그러나 최근의 증거들은 과학자들이 이러한 가정을 재고하게 만들고 있습니다.

작년에 암흑 에너지 탐사(DES)와 암흑 에너지 분광기(DESI)의 결과는 암흑 에너지가 고정되어 있지 않을 수도 있음을 시사하며 우주론자들의 관심을 끌었습니다. 천문학 및 천체물리학 명예교수인 조쉬 프리먼은 "이것은 암흑 에너지가 100여 년 전 아인슈타인이 도입한 우주 상수가 아니라 새로운 역학적 현상이라는 것을 보여주는 첫 번째 증거가 될 것입니다."라고 설명했습니다.

새로운 분석은 진화하는 힘을 가리킨다

9월 Physical Review D 에 발표된 연구에서 , 프리먼과 NASA 허블 펠로우십 프로그램 천문학 및 천체물리학 아인슈타인 펠로우인 아노와르 샤집은 광범위한 기존 우주론 데이터를 분석했습니다. 그들의 연구 결과는 암흑 에너지의 역동적이고 시간 가변적인 모델이 기존의 우주 상수 모델보다 현재 관측치에 더 잘 부합함을 보여줍니다.

샤집은 관측 우주론과 은하 진화를 전문으로 하며, 강력한 중력 렌즈 효과를 이용하여 허블 상수를 측정하고 암흑 에너지 매개변수를 좁힙니다. 프리먼은 관측 우주론을 중심으로 연구를 진행하며, SDSS(Sloan Digital Sky Survey)와 DES(Destroyer Digital Sky Survey)와 같은 대규모 천문 관측 자료를 활용하여 우주의 기원, 구조, 그리고 운명을 연구하는 동시에 우주의 가속 팽창을 주도하는 미스터리한 힘을 탐구합니다.

시카고 대학은 샤지브와 프리먼과 그들의 연구 결과, 이 새로운 모델이 우주 진화에 대한 우리의 이해에 어떤 ​​의미를 갖는지, 그리고 미래의 관찰을 통해 암흑 에너지가 시간이 지남에 따라 실제로 변화하는지 여부를 어떻게 밝힐 수 있는지에 대해 이야기를 나누었습니다.

우주 연구에 있어서 암흑 에너지가 중요한 이유는 무엇인가?

프리먼 : 우리는 이제 우주에 얼마나 많은 암흑 에너지가 있는지 정확히 알고 있지만, 그것이 무엇 인지에 대한 물리적 이해는 전혀 없습니다. 가장 간단한 가설은 그것이 빈 공간 자체의 에너지라는 것입니다. 이 경우 시간에 따라 변하지 않을 것입니다. 이 개념은 지난 세기 초 아인슈타인, 르메트르, 드 지터 등이 생각해 낸 것입니다. 우주의 70%가 무엇인지 우리가 거의 또는 전혀 모른다는 것은 다소 부끄러운 일입니다. 그리고 그것이 무엇이든, 그것이 우주의 미래 진화를 결정할 것입니다.

최근 어떤 연구 결과로 인해 우주론자들은 암흑 에너지가 진화할 가능성이 있다고 생각하게 되었나요?

샤지브 : 1990년대 암흑 에너지가 발견된 이후 관측 결과의 불일치를 해소하기 위해 그 역학적 특성에 대한 관심이 있었지만, 최근까지 대부분의 주요하고 견고한 데이터 세트는 표준 우주론으로 받아들여지는 비진화 암흑 에너지 모델과 일치했습니다. 그러나 진화 암흑 에너지에 대한 관심은 작년에 초신성, 중입자 음향 진동, 그리고 DES, DESI, 플랑크 실험에서 얻은 우주 마이크로파 배경 데이터의 조합으로 다시 활발하게 불붙었습니다. 이러한 데이터 세트의 조합은 표준적인 비진화 암흑 에너지 모델과 상당한 불일치를 나타냈습니다. 비진화 암흑 에너지의 흥미로운 특징은 공간이 팽창하더라도 밀도가 시간이 지남에 따라 일정하게 유지된다는 것입니다. 그러나 진화 암흑 에너지 모델의 경우 암흑 에너지 밀도는 시간에 따라 변합니다.

프리먼 : 이 조사에서 얻은 데이터는 우주 팽창의 역사, 즉 과거 여러 시대에 우주가 얼마나 빠르게 팽창했는지를 추론할 수 있게 해 줍니다. 만약 암흑 에너지가 시간에 따라 진화한다면, 그 역사는 암흑 에너지가 일정할 때와 다를 것입니다. 우주 팽창 역사 결과는 지난 수십억 년 동안 암흑 에너지의 밀도가 약 10% 감소했음을 시사합니다. 이는 다른 물질과 에너지의 밀도에 비하면 훨씬 적지만, 여전히 상당한 수준입니다.

이 연구의 목적은 무엇이었고, 전반적인 결과는 어떠했나요?

샤집 과 프리먼 : 이 연구의 목표는 진화하는 암흑 에너지에 대한 물리적 모델 의 예측을 최신 데이터 세트와 비교하고, 이 비교를 통해 암흑 에너지의 물리적 특성을 추론하는 것입니다. 대부분의 기존 데이터 분석에 사용된 진화하는 암흑 에너지 "모델"은 물리적 모델처럼 동작하도록 제한되지 않는 단순한 수학 공식입니다. 본 논문에서는 진화하는 암흑 에너지에 대한 물리 기반 모델을 데이터와 직접 비교하여, 이러한 모델이 표준적인 비진화 암흑 에너지 모델보다 현재 데이터를 더 잘 설명한다는 것을 발견했습니다. 또한 DESI와 베라 루빈 천문대 공간 및 시간 유산 탐사(LSST)와 같은 가까운 미래의 탐사가 이러한 모델이 정확한지, 아니면 암흑 에너지가 실제로 일정한지 여부를 확실하게 알려줄 수 있음을 보여줍니다.

제시된 모델을 설명하고 이 모델이 기존 모델에 비해 암흑 에너지의 행동을 더 잘 설명하는 이유를 설명하세요.

프리먼 : 이 모델들은 액시온이라는 가상 입자에 대한 입자물리학 이론에 기반합니다. 액시온은 1970년대 물리학자들이 강한 상호작용의 특정 관찰된 특징을 설명하고자 처음 예측했습니다. 오늘날 액시온은 암흑 물질의 유력한 후보로 여겨지며, 페르미 연구소와 시카고 대학교의 물리학자들을 포함하여 전 세계의 많은 실험에서 액시온을 적극적으로 찾고 있습니다.

저희 논문의 모델은 암흑 물질이 아닌 암흑 에너지 역할을 하는, 다른 초경량 버전의 액시온에 기반합니다. 이 모델에서 암흑 에너지는 우주 역사의 첫 수십억 년 동안은 일정하게 유지되지만, 그 후 액시온은 진화하기 시작합니다. 마치 경사진 들판에서 정지 상태에서 벗어나 구르기 시작하는 공처럼 말이죠. 그리고 밀도는 서서히 감소하는데, 이는 데이터가 선호하는 바와 같습니다. 따라서 데이터는 전자보다 약 38배 가벼운 새로운 입자가 자연에 존재한다는 것을 시사합니다.

이러한 발견은 우주 팽창을 이해하는 데 어떤 의미를 갖는가?

샤집 : 이 모델에서 암흑 에너지 밀도는 시간이 지남에 따라 감소합니다. 암흑 에너지는 우주의 가속 팽창의 원인이므로, 밀도가 감소하면 가속도 또한 시간이 지남에 따라 감소합니다. 우주의 아주 먼 미래를 생각해 보면, 암흑 에너지의 다양한 특성이 서로 다른 결과로 이어질 수 있습니다. 이러한 결과의 두 가지 극단적인 예는 빅립(Big Rip)입니다. 빅립은 가속 팽창 자체가 원자까지 모든 것을 쪼개는 지점까지 가속되는 현상입니다. 빅크런치(Big Crunch)는 우주가 어느 시점에 팽창을 멈추고 재수축하는 현상으로, 마치 역빅뱅처럼 보입니다. 저희 모델은 우주가 이 두 극단적인 상황을 피할 것이라고 예측합니다. 수십억 년 동안 가속 팽창을 겪으면서 차갑고 어두운 우주, 즉 빅프리즈(Big Freeze)가 탄생할 것입니다.

이러한 결과는 덜 명확한 다른 의미를 가질 수 있을까?

프리먼 : 제가 상상할 수 있는 실질적인 영향은 이러한 아이디어를 더욱 탐구하기 위해 개발해야 할 기술뿐입니다. 예를 들어 새로운 망원경을 만들거나, 새로운 위성을 발사하거나, 새로운 탐지기를 개발하는 것과 같은 기술 말입니다. 이러한 발전은 수조 년 후에 일어날 사건보다 우리 삶에 훨씬 더 큰 영향을 미칠 가능성이 높습니다.

이러한 결과에서 가장 흥미로운 점은 무엇입니까?

샤집 : 이 논문을 위해 DES, DESI, SDSS, 시간 지연 코스모그래피, 플랑크 , 아타카마 우주 망원경의 주요 데이터 세트를 모두 수집하고 이를 결합하여 현재까지 가장 제한적인 암흑 에너지 측정 결과를 얻었습니다. 이 모든 측정값은 광범위한 실험을 통해 얻어졌기 때문에, 어떤 면에서는 우주론계 전체가 축적한 집단적 지식을 나타냅니다.

프리먼 : 2003년 DES 연구를 시작했을 때, 저희의 목표는 암흑 에너지의 속성을 제한하여 그것이 일정한지 변화하는지 확인하는 것이었습니다. 20년 동안 데이터는 암흑 에너지가 일정하다는 것을 보여주었습니다. 데이터가 지속적으로 그 가정을 뒷받침했기 때문에 저희는 그 질문에 거의 포기할 뻔했습니다. 그러나 이제 20여 년 만에 암흑 에너지가 변화하고 있을 수 있다는 첫 번째 단서를 얻었습니다. 만약 암흑 에너지가 진화하고 있다면, 그것은 새로운 무언가일 것이고, 이는 기본 물리학에 대한 우리의 이해를 바꿀 것입니다. 이러한 느낌은 우리가 처음 시작했을 때의 상황을 떠올리게 합니다. 이러한 단서들이 틀렸다고 밝혀질 수도 있지만, 우리는 그 질문에 대한 답을 찾기 직전에 있을지도 모릅니다. 이는 매우 흥미로운 일입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251104013010.htm