심각한 결점들을 가진 현대 우주론

미디어위원회

2024-08-01

심각한 결점들을 가진 현대 우주론

(Cosmic Tension: Modern Cosmology Has Big Holes)

by Jerry Bergman, PhD

선도적 우주론자들이 현대 우주론의 주요 문제점을 인정하고 있다.

2024년 5월 Science Focus 지의 표지는 다음과 같이 말하고 있었다 : "우리의 우주 모델에는 문제가 있다. 자세히 보면 볼수록, 더 기괴해진다."[1].

편집자의 말을 빌리자면, "우주는 팽창하고 있다. 그리고 그 팽창 속도를 측정할 수 있다. 문제는 그 속도를 측정하는 방법에 따라 계속 다른 결과가 나온다는 것이다."[2] 이 문제는 빅뱅(Big Bang)과 함께 암흑물질(dark matter), 암흑에너지(dark energy), 급팽창(inflation)을 기반으로 하는 현대 표준 우주론에 영향을 미친다. 급팽창은 빅뱅이 일어난 후 첫 번째 순간에 발생했다고 가정되는 초고속 팽창의 기간이다. 2024년 5월호 Science Focus 지에서는 표준 우주론 모델에 커다란 문제가 있음을 인정하고 있었다.

우주의 팽창을 결정하는 확실한 방법은 가까운 은하를 관측하여 은하가 우리로부터 얼마나 빠르게 멀어지고 있는지를 측정하는 것이다. 팽창 속도를 결정하는 두 번째 방법은 초기 우주의 팽창 속도를 추정한 다음, 오늘날 얻어진 속도를 외삽하는 것이다. 팽창 속도를 국소적으로 측정하면, 초기 우주에서 외삽하여 추정한 값보다 8% 더 높은 값이 나온다.

허블 긴장

이 문제는 허블 긴장(Hubble Tension, 허블 텐션, 허블 갈등)이라고 불려진다. 이는 우주의 합의된 나이와 빅뱅 자체를 포함한 여러 가정들에서 비롯된 결과일 수 있다. 우주론자들은 우주의 나이가 138억2천만 년이며, 암흑에너지 68.3%, 암흑물질 26.8%, 일반 원자는 4.9%에 불과하다는 가정에 의문을 제기하지 않는다.[3]

가까운 은하가 우리로부터 얼마나 빠르게 멀어지고 있는지를 측정하는 방법이 더 정확한 것이지만, 이 방법에도 문제가 있다. 마커스 초운(Marcus Chown) 교수는 국소팽창 측정에 초점을 맞추려는 시도는 "어려움으로 가득 차 있다"고 말한다.[4] 한 가지 어려움은 자연주의를, 특히 오래된 연대를 너무 많이 믿고 있다는 것이다. 예를 들어, 이 주장에서 들어있는 신념을 주목하라 :

원시 팽창 속도는 빅뱅의 '잔광(afterglow)'인 우주배경복사(cosmic background radiation)에 암호화되어 있으며, 오늘날에도 여전히 우리 주변에 있으며, 우주에 존재하는 광자(photons), 또는 빛 입자의 99.9%를 차지한다.[5]

또 다른 문제는 세페이드 변광성(Cepheid variables)을 이용한 추정치에서 발견된다. 세페이드 변광성은 지름과 온도에 따라 빠르게 맥동하는 별을 말한다. 이러한 맥동은 은하계 및 은하계 외곽 거리를 결정하는 데 사용된다.[6] 맥동 속도는 고유 광도와 관련이 있기 때문에, 천문학자들은 세페이드가 다른 세페이드보다 4배 희미하다고 판단하면, 첫 번째 별이 다른 별보다 2배 더 멀리 있다고 결론을 내린다. 그것은 같은 거리에 위치하는 더 희미한 별이 아니다. 마제스(Majaess)는 제2형 세페이드(Type II Cepheids)는 잠재적 거리 지표(distance indicators)로서 자주 사용되었지만... 현재로서는 불확실성이 크고, 식별이 예비적이라고 결론지었다."[7] 초운은 다음과 같이 썼다 :

25년 동안 허블상수(Hubble constant)는 NASA의 허블 우주망원경으로 관측한 세페이드 변광성으로부터 결정되었다. 하지만 우려가 있었다. 매우 먼 거리에서 세페이드를 관측할 때, 허블의 예리한 관측으로도 홀로 있는 세페이드를 찾아낼 수 없었다. 세페이드가 시야에 가까운 별에 의해 번져(smeared), 천문학자들이 세페이드의 밝기를 과대평가할 가능성이 항상 있었다.[8]

2021년 12월 25일에 발사된 NASA의 6.5m 적외선 제임스웹 우주망원경(James Webb Space Telescope)은 허블 우주망원경보다 더 선명한 시야로 허블상수에 대한 허블의 추정치가 정확하다고 판단했다.[9] 그럼에도 불구하고, 두 팽창률 추정치 사이의 8%의 불일치는 여전히 남아 있다. 세페이드 방법에 의문을 제기하는 다른 이유는 다음과 같다.

'허블 긴장'은 여전히 신기루일 수 있다. 거기에는 인식하지 못한 측정 오류가 있을 수 있다. 옥스퍼드 대학의 조셉 실크(Joseph Silk) 교수는 그렇게 의심하고 있었다. "나는 세밀하고 공들인 보정(calibration) 시도에 감탄한다.... 하지만 아직 완전히 확신하지는 못한다." 실크 교수는 Ia형 초신성(Type Ia supernovae)이 탄생하는 항성의 환경은 시간이 지남에 따라 변화했다고 지적한다. 이러한 변화로 인해 먼 은하의 초신성은 가까운 은하의 초신성과 다른 광도를 가질 가능성이 있다.(더 먼 은하는 빛의 제한된 속도 때문에 시간을 더 거슬러 볼 수 있도록 한다). "그리고 아마도 더 걱정스러운 것은... 거리 척도를 결정하는 대안적 접근 방식인.... 이 초신성을 사용하는 방법보다 허블상수의 낮은 값을 조직적으로 찾는다는 것이다."[10].

만연해있는 추측

초운 교수는 빅뱅과 가상의 암흑에너지 문제에 대해 말하고 있었다. 한 가지 문제는 "우주의 팽창을 가속화할 수 있는 요인은 무엇일까?"이다. 초운 교수는 이 문제는 "정말로 수수께끼"라고 결론을 내린 존스 홉킨스 대학(Johns Hopkins University)의 마크 카미온코프스키(Marc Kamionkowski) 교수의 말을 인용하고 있었다. 이안 맥카시(Ian McCarthy) 교수는 "표준 우주론 모델에 무언가가 잘못되었다는 의미이다"라고 덧붙였다. 또 다른 가능성은 "암흑에너지나 암흑물질은 표준 모델에서 우리가 가정하고 있는 가장 '평범한' 가정보다 더 이질적인 특성을 갖고 있을 수 있다"는 것이다.

우주가 팽창함에 따라 소위 '우주 상수'가 일정한 에너지 밀도를 유지한다는 가정은 암흑에너지와 그 영향이 공간이 커짐에 따라 증가한다는 것을 의미한다. 암흑에너지에 대한 자세한 내용은 아직 밝혀지지 않았지만, 암흑에너지의 에너지 밀도 역시 시간에 따라 진화했을 것이라는 추측이 있다. 무로부터 어떻게 이런 일이 일어날 수 있었는지는 아무도 명확하게 설명하지 못하고 있다.

카미온코프스키 교수는 암흑에너지 밀도가 최근 어떤 알 수 없는 이유로 증가하여 우주 팽창을 촉진하는 데 도움이 되었을 것이라고 가정하고 있다. 또는 빅뱅이 일어난 후 아주 이른 시기에 암흑에너지가 생성되어 우주팽창을 촉진했을 수도 있다는 것이다. 암흑에너지가 시간이 지남에 따라 어떻게 진화했을 수 있었는지는 미스터리이다. 이 문제를 간과했다면 천문학자들은 우주배경복사에서 추론한 우주팽창 속도를 과소평가했을 것이다.

또 다른 설명은 "아인슈타인의 중력 이론이 가장 큰 규모로 무너진다면, 우주는 어떻게 더 빨라질 수 있었을까?"이다. 우주의 팽창을 늦추려는 중력이 예상보다 약한 것일까? 실크 교수는 "지금까지 허블 긴장을 완전히 해결하기 위해 새로운 물리학적 요소를 도입하려는 모든 시도들은 실패했다"며, 기존의 모든 제안에 회의적인 태도를 유지했다.[11]

요약

초운의 보고는 현대 우주론 분야에서 활동하는 주요 우주론자들 사이에서, 빅뱅 이론에 대한 주요 이견(disagreements, 불일치)이 존재한다는 것을 보여준다. 이러한 논쟁은 현재의 많은 이론들이 매우 제한된 경험적 관찰에 근거한, 순전히 추측이라는 사실을 깨닫게 해준다. 이는 천문학(Astronomy) 지의 편집자인 밥 버먼(Bob Berman)이 20년 전에 한 관측과 일치한다. 버먼은 "우주론 전문가들은 우주의 70%가 암흑에너지라는 반중력적 힘으로 구성되어 있을 것이라고 생각했다. 아무도 그것이 무엇인지 전혀 모르고 있다는 것만 빼면 괜찮았다.... 상상력이 지배하고 있는 것이다!"[12] 뉴욕 우드스톡(Woodstock)에 있는 오버룩 천문대(Overlook Observatory)의 책임자였던 버먼은 우주론에 관한 기사를 읽을 때, 서두에 다음과 같은 고지 사항을 추가했다 : "경고 : 다음에는 현대 우주론이 포함되어 있다. 이 글을 읽으면 방향 감각이 흐려지고 혼란스러워질 수 있다. 무슨 일이 일어나고 있는지 아무도 모른다." 20년이 지난 지금도 이 경고는 여전히 유효해 보인다.

References

[1] Chown, M. “The Hubble Tension.” BBC Science Focus Magazine, pp. 62-67, 14 May 2024.

[2] Chown, 2024, p. 62.

[3] Chown, 2024, p. 62.

[4] Chown, 2024, p. 62.

[5] Chown, 2024, p. 62.

[6] Majaess, D., et al., “Type II Cepheids as Extragalactic Distance Candles”. Acta Astronomica 59(4), September 2009.

[7] Majaess, et al., 2009. Emphasis added.

[8] Chown, 2024, p. 63.

[9] Chown, 2024, p. 64.

[10] Chown, 2024, p. 64.

[11] Chown, 2024, p. 64.