[비즈한국] 우주는 팽창하고 있다. 아주 멀리 떨어진 은하들은 우리에게서 멀어지고 있다. 대체로 은하가 멀리 있을수록 더 빠르게 멀어진다. 여기까지는 오늘날 누구도 의심하지 않는 사실이다. 그런데 최근 우주론 논쟁의 중심은 조금 다른 곳으로 옮겨졌다.
우주의 팽창이 더 빨라지고 있는가, 아니면 가속하는 정도가 약해지고 있는가, 더 나아가 이미 감속으로 돌아선 건 아닐까?
자동차로 비유하면 우주가 여전히 가속 페달을 밟고 있는지, 가속페달에서 점점 발을 떼고 있는지, 아니면 이제 아예 브레이크를 밟기 시작했는지를 묻는 것이다.
이 질문은 단순히 우주의 미래를 예측하는 문제로 머무르지 않는다. 현재 우주 전체의 에너지에서 약 70%를 차지한다고 여겨지는 암흑에너지의 실체에 대한 논란이다. 암흑에너지가 정말 있는지, 존재한다면 시간이 지나도 항상 일정하게 유지되는지, 아니면 시간에 따라 줄어들고 늘어나는지에 대한 질문으로 바뀌고 있다.
이 거대한 이야기는 1998년부터 시작된다. 두 연구팀이 아주 먼 우주의 은하에서 폭발한 Ia형 초신성을 관측했다. 한쪽은 솔 펄머터가 이끄는 팀이었고, 다른 한쪽은 브라이언 슈미트와 애덤 리스가 이끄는 팀이었다. 이들이 원래 확인하려던 건 우주의 팽창이 중력으로 인해 얼마나 ‘느려지고’ 있는가였다. 애초에 이들은 우주 가속 팽창이 아니라 반대로 감속 팽창을 확인할 목적으로 연구를 시작했다.
우주는 아주 많은 물질로 채워져 있다. 물질은 중력으로 서로를 끌어당긴다. 따라서 빅뱅 이후 우주가 팽창을 했더라도 물질의 중력은 마치 브레이크처럼 우주의 팽창을 점점 더디게 만들어야 한다. 이것이 훨씬 자연스러운 예측이다. 그런데 두 팀 모두 정반대의 결과를 관측했다. 리스 연구팀이 분석한 먼 초신성들은 암흑에너지가 없는 저밀도 우주에서 예상한 기존 값보다 평균적으로 약 10~15% 더 멀리 있는 것처럼 보였다. 펄머터 연구팀도 42개의 고적색편이 초신성을 활용해 비슷한 결론을 내렸다. 먼 초신성이 예상보다 더 어둡게 보인다는 것은 그들이 예상보다 더 멀리 있다는 뜻으로 해석되었다. 과거 어느 시점부터 우주가 예상보다 더 빠르게 늘어나면서 예상보다 더 멀리 벗어나 있다는 뜻이었다. 이렇게 두 연구팀은 각각 우주의 팽창 속도가 느려지기는커녕 오히려 빨라지는 가속 팽창을 하고 있다는 결론을 내렸다.
이 발견으로 펄머터, 슈미트, 리스는 2011년 노벨 물리학상을 수상했다. 문제는 그래서 대체 무엇이 우주의 팽창을 더 빠르게 만들고 있느냐로 이어진다.
일반상대성이론에서 우주의 가속은 단순히 에너지가 많다고 쉽게 일어나지 않는다. 보통 물질과 복사는 중력을 통해 우주의 팽창을 감속시킨다. 우주 팽창을 가속시키려면 밀도는 양수이지만 음의 압력을 갖는 아주 이상한 무언가가 더 필요하다. 이것을 우주론 상태 방정식으로 표현하면 우주 팽창의 가속/감속 여부는 에너지 밀도(ρ)와 압력(P)을 결합한 방식, ρ+3P/c^2으로 표현할 수 있다. 우주가 가속하려면 이 값이 음수가 되어야 한다. 압력이 에너지 밀도의 -3분의 1보다 더 작아야 우주가 가속 팽창을 할 수 있다. 천문학자들은 도대체 이해할 수 없는 이 기묘한 성분을 암흑에너지라고 부른다.
가장 게으르고 속 편한 해석은 빈 공간 자체가 에너지를 갖고 있다고 이야기하는 우주상수다. 이 경우 암흑에너지는 완벽한 음의 압력을 갖게 되고, 암흑에너지의 상태방정식은 -1이 된다. 공간이 늘어나도 밀도가 줄거나 변치 않는 아주 이상한 상태가 만들어진다. 하지만 이건 수학적인 설명일 뿐 그 실체를 확인한 건 아니다. 여전히 암흑에너지의 정체가 무엇인지, 정말 존재하는지 아무것도 모른다. 단순하게 진공 에너지가 암흑에너지라고 가정하면 오히려 우주를 설명하기 위해 필요한 수준을 압도할 정도로 지나치게 많은 암흑에너지가 튀어나와버린다. 이건 해답이 되지 못한다.
그런데 당시 초신성 연구팀의 발견에는 중요한 전제가 하나 있었다. Ia형 초신성이 얼마나 밝게 빛나는지를 우리가 정확히 알고 있다는 전제였다. Ia형 초신성은 백색왜성이 포함된 항성계에서 발생하는 열핵 폭발의 결과다. 백색왜성은 태양과 비슷한 질량의 별이 수명을 다하고 남긴 찌꺼기 별이다. 지구 정도 크기에 태양 수준의 질량이 압축된 고밀도 천체다. 백색왜성이 혼자가 아니라 옆에 동반성을 거느리고 있다면 동반성의 물질을 빼앗아 다시 무거워지게 된다. 백색왜성이 ‘찬드라세카르 한계’인 태양 질량의 1.4배보다 더 무거워지면 바로 그 순간 초신성 폭발이 벌어진다고 알고 있었다.
하지만 지금은 Ia형 초신성의 폭발 메커니즘이 더 복잡하고 다양해졌다. 백색왜성과 평범한 별이 짝을 이룬 쌍성뿐 아니라 다양한 방식으로 폭발이 벌어진다. 백색왜성 두 개가 충돌할 때도 비슷한 스펙트럼 양상을 보이는 Ia형 초신성 폭발이 가능하다. 이 경우 찬드라세카르 한계보다 가벼운 질량에서 일찍이 백색왜성 표면에서 시작된 불씨가 폭발로 이어질 수 있다. 우주에서 목격되는 Ia형 초신성들 중에 어떤 방식의 폭발이 몇 대 몇의 비율로 발생하는지는 아직 전혀 파악하지 못했다. 따라서 Ia형 초신성을 마냥 똑같은 밝기로 터지는 완벽한 표준 촛불로 삼는 것은 잘못된 전제일 수 있다.
다만 폭발 이후 밝기가 얼마나 빠르게 어두워지는지, 색이 얼마나 붉게 나타나는지 등을 측정하면 초신성의 원래 밝기를 어느 정도 보정할 수 있다. 일반적으로 더 밝은 초신성은 최대 밝기에 도달한 이후 더 천천히 어두워지는 경향을 보인다. 이를 초신성 광도 변화의 선폭과 광도 관계라고 부른다. 천문학자 로버트 트립(Robert Tripp)은 이렇게 초신성의 밝기 변화 양상을 통해 그 밝기를 표준화하는 기법을 만들었고, 지금까지 많은 연구가 트립이 만든 보정 방정식을 활용해서 초신성을 표준화했다.
하지만 이런 보정을 거쳐도 미세한 차이가 여전히 남아 있다. 대표적으로 일명 초신성의 질량 계단(mass step)이다. 간단히 말해서 초신성이 발생한 은하의 질량에 따라, 표준화를 거친 이후에도 초신성의 밝기에 미세한 차이가 남는 현상이다. 일반적으로 질량이 무거운 은하에서 터진 초신성과 질량이 작은 은하에서 터진 초신성 사이에는 수백 분의 몇 등급 정도의 작은 차이가 있다. 이 차이가 은하 질량 자체 때문인지, 질량에 따라 또 달라지는 은하의 금속 함량, 빛을 가린 먼지, 별 탄생의 효율 때문인지는 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 최근의 논쟁은 바로 여기에서 시작되었다.
만약 Mass step의 원인이 은하 또는 초신성이 터지기 전 별(progenitor)의 나이에서 비롯된 것이라면 어떻게 될까? 오래된 별에서 만들어진 백색왜성과 젊은 별에서 만들어진 백색왜성의 폭발 순간 밝기가 표준화 이후에도 사실 차이가 있었다면, 우리가 먼 우주를 관측할수록 심각한 편향이 생길 수 있다. 먼 은하를 본다는 건 곧 더 먼 과거의 우주를 본다는 말이다. 다시 말해 우주가 더 젊었던 시절로 거슬러 가는 것이다. 가까운 우주의 초신성 샘플에는 비교적 오래된 은하가 많지만, 먼 우주로 갈수록 더 젊고 어린 은하가 많아진다. 만약 젊은 우주에서 터진 Ia형 초신성이 표준화 보정 이후에도 실제로 더 어두웠다면, 우리는 초신성이 더 멀리 있어 더 어둡게 보인다고 착각할 수 있다.
그렇다면 우주가 예상보다 더 빠르게 팽창한다고 생각한 가속 팽창이라는 발견 자체가 크게 흔들릴 수 있다. 은하와 별의 나이에 따른 초신성의 태생적인 밝기 차이에서 비롯된 치명적인 착시일 수 있다.
2025년 연세대학교 연구팀은 표준화를 거친 초신성의 밝기와 모천체의 나이 사이에 최대 5.5시그마 수준의 상관관계가 나타난다고 보고했다. 모천체가 대략 10억 년 차이가 날 때마다 0.03등급 차이가 났다. 젊은 별 집단에서 터진 초신성일수록 표준화 이후에도 초신성은 더 어둡게 보이는 경향이 있었다. 가까운 우주와 먼 우주를 극단적으로 비교한다면 초신성 모천체의 나이도 약 50억~60억 년 이상 차이가 날 수 있다. 이런 차이를 감안하면 먼 초신성의 밝기는 0.16등급 정도 더 어둡게 보일 수 있다. 숫자로는 사소해 보일지 모르지만, 우주론에서는 결코 무시할 수 없는 차이다.
이후 후속 연구에서 이 나이 편향을 추가로 보정한 다음, 최근 이루어진 우주배경복사, 그리고 DESI의 방대한 은하 분포 지도 데이터를 결합했다. 그 결과 암흑에너지를 가정한 기존 표준 우주 모델과는 전혀 맞지 않았다. 그 차이는 무려 9시그마 수준이었다. 오히려 우주 팽창의 감속/가속 여부를 보여주는 파라미터인 q_0가 0보다 큰 0.092 정도로 나왔다. 이 값이 0보다 큰 양수면 우주는 감속 팽창을 한다는 뜻이 된다. 물론 여전히 오차가 크지만 그 값만 놓고 보면 이미 우주가 감속 팽창 시기에 들어갔다고 해석할 수 있는 충격적인 결과다. 중요한 건 기존에 알려졌던 우주의 가파른 가속 팽창의 징후가 거의 사라졌다는 사실이다.
이에 기존의 아담 리스를 주축으로 한 연구팀이 격렬한 반박을 이어가고 있다. 최근 추가 논문에서 리스 연구팀은 연세대학교 연구팀의 분석에 문제가 있다고 주장했다. 이들의 핵심 주장은 은하의 나이 효과와 기존의 Mass step 보정이 서로 독립된 효과가 아니라는 것이다. 연세대학교 팀은 은하의 나이에 따른 차이를 보정한 다음 다시 은하 질량에 따른 표준 보정을 함께 적용했다. 그런데 은하의 나이와 질량이 밀접하게 연결되어 있기 때문에 사실상 같은 보정을 과도하게 두 번 했다는 것이다. 그러면서 기존의 Mass step을 먼저 보정하면 초신성의 표준화된 밝기와 은하 나이 사이에는 별다른 상관관계가 나타나지 않는다고 주장했다.
먼 초신성과 가까운 초신성의 모천체 나이가 50억 년 차이가 날 거라고 가정한 점에 대해서도 반박했다. 그들은 이런 가정이 실제 나이 차이보다 3~5배가량 더 과장되었다고 지적했다. 연세대학교 팀은 엄밀하게 그 초신성을 만든 모천체의 나이를 활용한 게 아니라, 그 초신성을 품고 있는 은하의 나이를 활용했다. 이건 관측 한계상 어쩔 수 없는 타협이지만, 은하 전체 나이와 실제 폭발한 초신성 모천체의 나이를 동일시할 수는 없다는 점에서 중요한 한계이기도 하다.
이 문제를 추가로 확인하기 위해 리스와 무라카미 공동 연구팀은 초신성 폭발이 확인된 7000여 개 은하들의 별 형성 역사를 분석했다. 그 결과 Ia형 초신성 모천체의 평균 나이는 35억 년이었다. 그런데 우주의 시간에 따라 달라지는 모천체의 나이 차이는 고작 15억 년 정도에 불과했다. 이 정도 짧은 나이 차이라면 먼 초신성과 가까운 초신성의 밝기 차이는 고작 0.007 등급 차이밖에 안된다. 오차 범위에서 큰 영향이 없는 수준으로 사라진다.
하지만 이것으로 싸움이 모두 끝난 건 아니다. 연세대학교 팀은 리스와 함께 연구한 와이즈먼의 결과가 너무 광범위한 적색편이 범위의 은하를 한꺼번에 분석했고, 그래서 나이와 밝기의 상관관계를 의도적으로 평평하게 만들어버렸다고 지적했다. 그리고 mass step을 보정할 때 사용한 은하의 먼지 모델에도 문제가 있다고 지적했다. 반박과 재반박, 또 다른 재반박이 끊이지 않고 이어지는 중이다.
그런데 지난 3년간 1400만 개의 은하와 퀘이사를 관측한 방대한 DESI의 데이터가 발표되면서 싸움이 새로운 국면을 맞이했다. DESI의 관측 결과와 우주배경복사만을 결합하면 암흑에너지는 기존 표준 모델과 달리, 일정한 우주상수가 아니라 시간에 따라 변화하는 것처럼 보인다. 여기에 리스 또는 연세대학교 연구팀 중 어느 쪽의 초신성 표준화 방식을 적용하는지에 따라서 결과가 크게 달라진다. DESI 연구팀은 아직은 조심스럽다. 곧바로 암흑에너지는 존재하지 않으며 우주가 감속 팽창하고 있다고까지 주장하지는 않지만, 암흑에너지가 마냥 일정한 우주상수가 아니라 시간에 따라 변화하는 물리량일 수 있다는 조심스러운 가능성에 베팅하고 있다.
여기에 암흑에너지 자체가 애초에 필요 없을 수 있다는 수학적 주장도 등장했다. 우주의 팽창과 상태를 설명하는 프리드먼 방정식을 활용해, 우주가 아주 작은 섭동만으로도 불안정해질 수 있다는 새로운 해를 찾아낸 것이다. 표준 우주론은 큰 규모에서 우주가 균일하고 모든 방향에서 동일하다고 가정한다. 이것을 우주론적 원리라고 부른다. 이 가정을 적용하면 우주의 평균적인 팽창은 간단한 프리드먼 방정식으로 설명할 수 있다. 그런데 실제 우주는 완벽하게 균일하지 않다. 은하들이 모인 초은하단이 있고, 물질이 거의 없는 보이드도 있다.
이번 분석에 따르면 프리드먼의 해는 사실 연필을 뾰족한 끝으로 세워놓은 가장 이상적이고 불안정한 상태와 같다. 수학적으로는 가능하지만 현실성은 떨어진다. 아주 작은 입김만 불어도 연필은 쓰러진다. 마찬가지로 초기 우주에 작은 밀도 요동이 있었다면 균일한 프리드먼 우주를 벗어나 더 빠르게 팽창하는 해가 자연스럽게 튀어나온다. 굳이 우주상수나 암흑에너지와 같은 새로운 요소를 추가하지 않아도, 아인슈타인의 원래 방정식 틀 안에서 가속 팽창과 비슷한 현상이 발생할 수 있음을 보였다.
물론 이것이 연세대학교 연구팀의 주장을 곧바로 지지하는 것은 아니다. 표면적으로는 두 연구 모두 각각 관측과 이론을 통해 암흑에너지에 의문을 제기한다. 하지만 연세대학교 팀은 초신성의 밝기 보정에 의문을 제기해 애초에 가속 팽창 자체가 착각일 수 있다고 주장한다. 반면 최근의 이론적 분석은 가속 팽창을 부정하지는 않는다. 가속 팽창은 동의한다. 단지 가속 팽창을 설명하기 위해서 굳이 암흑에너지를 가정할 필요가 없다고 주장한다.
가속 팽창 자체를 의심하는 연세대학교 연구팀, 그리고 가속 팽창을 인정하면서도 암흑에너지는 꼭 필요하지 않을 수 있다고 주장하는 이론적 가능성까지. 우주의 운명을 이야기하는 천문학자, 물리학자들의 싸움은 더 복잡하고 혼란스럽게 변해가고 있다.
앞으로 이 문제는 더 많은 관측을 통해 새로운 국면을 맞이할 것으로 보인다. 지난 6월 30일 칠레의 베라 루빈 천문대는 앞으로 10년간 이어질 LSST 관측을 본격적으로 시작했다. 남반구 하늘을 며칠 간격으로 계속 쉬지 않고 훑어보면서 10년 동안 1000만 개의 초신성과 관련된 데이터를 확보할 예정이다. 지금까지 나온 초신성 연구를 압도하는 가장 많은 데이터를 확보하게 될 것이다.
또 지난 8월 30일 발사된 새로운 우주 망원경, 낸시 그레이스 로먼의 관측도 초신성 우주론에 새로운 힌트를 제공할 것이다. 지구 대기의 방해를 벗어나 아주 먼 우주에 이르는, 가장 광범위한 시간 범위에 걸쳐 Ia형 초신성을 균일하게 관측하게 될 것이다.
적어도 앞으로 10~20년 사이에는 이 뜨거운 싸움의 결말이 서서히 윤곽을 드러내지 않을까 기대해본다.
필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 세종대학교 자유전공학부 조교수로 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 함께 하고 있다. ‘천문학자의 쓸모없음에 관하여’, ‘우리는 모두 천문학자로 태어난다’, ‘우주를 보면 떠오르는 이상한 질문들’ 등의 책을 썼으며, ‘나는 어쩌다 명왕성을 죽였나’, ‘퀀텀 라이프’, ‘UFO’ 등을 번역했다.