참세상

지구에서 1억 3천만 광년 떨어진 은하 NGC 5468의 이미지로, 허블과 제임스 웹 우주 망원경 데이터를 활용해 얻어진 것이다. 이 은하에는 세페이드 변광성이 포함되어 있어 허블 상수를 매우 정확하게 측정할 수 있었다. 출처: NASA, ESA, CSA, STScI, 아담 G. 리스(Adam G. Riess, JHU, STScI)

가장 오래된 고대부터 20세기 초까지, 인간은 우주를 크기가 일정하고, 모든 것이 항상 존재해 왔으며 앞으로도 영원히 존재할 정적인 실체로 여겨왔다. 아리스토텔레스부터 뉴턴에 이르기까지 가장 뛰어난 사상가들도 이러한 시작도 끝도 없는 정적인 우주론을 지지했다.

아인슈타인조차 이러한 우주의 정적인 관점을 옹호했으며, 자신의 일반 상대성 방정식에 "우주 상수"라고 불리는 팽창 항을 포함해 우주의 전체 질량에 의한 중력적 끌림을 상쇄하려 했다. 이렇게 해서 아인슈타인은 붕괴하지 않는 정적이고 불변하는 우주를 만들어냈다.

그러나 우주는 정적인 것과 거리가 멀다. 1920년대에 에드윈 허블은 먼 은하들의 적색편이를 관측하여 우주가 팽창하고 있음을 실험적으로 증명했다. 그 결과, 아인슈타인과 뉴턴의 우주관은 완전히 무너졌다.

우주는 움직이고 있다. 팽창하고 있을 뿐만 아니라, 그 팽창 속도는 점점 더 빨라지고 있다. 이러한 발견에 기여한 공로로 아담 리스(Adam Riess)는 2011년 노벨 물리학상을 수상했다.

1931년 캘리포니아의 마운트 윌슨 천문대에서 촬영된 사진으로, 알베르트 아인슈타인이 에드윈 허블(중앙) 및 월터 애덤스(오른쪽)와 함께 있다. 이곳에서 허블은 1929년에 우주의 팽창을 발견했던 100인치 망원경을 관측하고 있었다. 출처: 캘리포니아 공과대학교

그 이후로, 우주론적 원리는 충분히 큰 우주적 거리에서 우주는 균질하고 등방적이라는 것을 주장하고 있다. 즉, 관측 방향에 관계없이 동일한 특성을 가진다는 의미다.

그러나 현재까지도 우주가 어떻게 팽창하고 있는지 완전한 합의는 이루어지지 않았다.

허블 텐션(Hubble Tension)이 도래했다

우주의 팽창 속도는 허블 상수로 정량화된다. 하지만 이 상수는 정확히 말해 "상수"가 아니다. 이는 우리가 고려하는 우주의 시대에 따라 그 값이 변해왔기 때문이다.

우주론에서 매우 중요한 이 매개변수의 측정은 현재 논란의 중심에 있다. 사용된 방법에 따라 값이 다르게 나타나기 때문이다. 이는 이른바 "허블 텐션"이라고 불리는 문제로, 아직 해결되지 않은 핵심적인 과제다.

단순히 연구자들이 관측 과정에서 체계적인 오류를 저질렀을 가능성도 제기된다. 그러나 현대의 정밀한 측정 기법을 감안하면, 이 가능성은 거의 완전히 배제되고 있다.

우주적 거리의 "사다리"

우주의 팽창을 계산하는 방법의 하나는 먼 은하들까지의 현재 거리를 극도로 정밀하게 측정하고, 이들이 우리로부터 멀어지는 속도(후퇴 속도)를 계산하는 것이다.

이러한 속도는 적색편이와 관련이 있으며, 거리는 세밀한 과정을 통해 측정된다. 이를 "우주적 거리의 사다리(cosmic distance ladder)"라고 부르며, 가까운 은하(예: 대마젤란 은하)에서 시작해 점차 더 멀리 있는 은하들로 확장해 나가는 방식이다.

허블 상수는 이른바 우주적 거리의 사다리의 다양한 단계 또는 계층을 통해 계산할 수 있다. 출처: NASA, ESA, A. Feild(STScI)

이를 위해 연구자들은 특정한 밝기 특성을 지닌 다양한 천체를 활용한다. 매우 먼 은하의 경우, 매우 밝은 천체가 필요하며, Ia형 초신성이 가장 많이 사용되는 대표적인 예다.

반면, 더 가까운 거리에서는 세페이드 변광성이 가장 정밀한 거리 측정 지표로 사용된다. 실제로 에드윈 허블은 세페이드 변광성 연구를 바탕으로 안드로메다가 우리은하와는 별개의 은하임을 확인했다.

안드로메다자리의 변광성 V1(이미지의 왼쪽 하단). 이는 우리은하 밖에서 발견된 최초의 세페이드 변광성이다. 출처: 허블(Hubble), CC BY

은하들의 거리와 후퇴 속도를 알게 되면, 이를 그래프로 나타내어 허블 상수를 구할 수 있다. 이 그래프는 비교적 직선에 가깝게 맞아떨어진다.

허블 우주망원경으로 기록된 데이터 세트의 속도-거리 다이어그램. 최적 선형 맞춤의 기울기는 허블 상수를 나타내며, 이 경우 약 70km/초/메가파섹이다. 출처: NASA/ESA, CC BY

위 그래프에서 데이터에 대한 최적 선형 맞춤은 70km/초/메가파섹의 값을 보여준다. 여기서 1메가파섹(Mpc)은 약 30조 킬로미터에 해당한다. 이는 현재 1메가파섹 거리에 있는 은하가 우리로부터 초속 70킬로미터의 속도로 멀어지고 있음을 의미한다.

제임스 웹, 허블 우주망원경의 결과를 확인하다

허블 우주망원경 이전에는 지상 관측소를 통해 이루어진 우주 팽창 속도의 측정이 큰 불확실성을 가지고 있었다. 그 결과에 따라 우주의 나이는 약 100억 년에서 200억 년 사이로 추정되기도 했다.

그러나 지난 30년 동안 허블 우주망원경은 이 측정을 1% 이하의 정밀도로 낮추며, 우주의 나이를 약 138억 년으로 확립했다.

최근에는 제임스 웹 우주망원경의 관측을 기반으로 한 연구가 허블 우주망원경의 이전 결과를 더욱 높은 정확도로 확인했다.

그럼에도 불구하고, 허블 상수의 값은 다른 계산 방법들과 여전히 일치하지 않는다.

우주 마이크로파 배경 복사

실제로, 람다-CDM(Lambda-CDM) 표준 우주론 모델에 기반한 예측은 유럽우주국(ESA)의 플랑크(Planck) 위성이 관측한 우주 마이크로파 배경 복사를 통해 허블 상수를 67.4km/초/메가파섹으로 산출했다. 이는 세페이드 변광성을 이용한 보정으로 얻어진 현재 값인 73km/초/메가파섹과 차이가 있다.

이 딜레마에 대한 한 가지 가능성은 먼 거리에 대한 허블의 관측이 잘못되었을 가능성을 고려하는 것이다. 이는 주로 그러한 거리에서 허블의 제한된 별 해상도 때문일 수 있다. 바로 이 지점에서 제임스 웹이 등장하며, 적외선 관측에서의 엄청난 잠재력을 보여주고 있다.

제임스 웹 우주망원경(왼쪽)과 허블 우주망원경(오른쪽)의 비교 이미지로, 세페이드 변광성이 서로 다른 해상도로 관측된 모습을 볼 수 있다. 출처: NASA, ESA, CSA, STScI, 아담 리스(A. Riess, JHU/STScI)

제임스 웹 우주망원경은 허블 우주망원경의 결과가 정확하다고 말하고 있다. 그러나 우주 마이크로파 배경 복사에서 얻어진 데이터는 이전의 결과와 일치하지 않는다.

허블 텐션은 여전히 지속된다

이러한 차이가 작아 보일 수 있지만, 2km/초/메가파섹의 불일치는 우리가 현재 우주를 이해하는 데 있어 중요한 무언가를 놓치고 있을 가능성을 의미한다.

이 연구의 주저자인 아담 리스는 “측정 오류가 해결된 이후 남는 것은 우리가 우주를 잘못 이해했을 가능성이라는 현실적이고 흥미로운 결론”이라고 밝혔다. 다시 말해, 우주 초기부터 현재까지의 진화를 더 잘 설명하기 위해 람다-CDM(Lambda-CDM) 우주론 모델을 수정해야 할 필요가 있을 수도 있다는 것이다.

우주는 분명히 정적이지 않다. 하지만 그 이상하고 복잡한 움직임을 이해하기 위해선 여전히 갈 길이 멀다.

[출처] Y sin embargo, el universo se mueve de forma extraña

[번역] 하주영