실제적인 데이터를 사용한 우주 측정

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-16

영국의 임페리얼 칼리지 런던 대학과 스페인 바르셀로나 대학의 연구진은 천체 데이터를 사용하여 우주 팽창을 이해하는데 핵심적인 표준 거리를 측정하였다. 이것은 일반 상대성 이론과 연관된 계산을 사용하지 않은 것으로써 실제적인 우주 측정 데이터를 이용하였다는 점에서 더 정확하게 우주 관측이 가능할 것으로 보인다. 이런 표준 기준의 크기는 거대 스케일에서 중력을 설명하기 위해 일반 상대성 이론에 의존한 이론적 모델로부터 예측되었다. 이 새로운 연구는 처음으로 관측된 데이터를 사용하여 그것을 측정하였다. 표준 기준은 동일한 물리적 크기를 가진 물체로서 우주에서 그것의 실제 크기를 비교하여 지구까지 거리 측정을 가능하게 해준다. 이들의 연구는 우주에서 거리 측정에 대한 현재의 방법이 필요한 이상으로 복잡하다는 것을 암시하고 있다고 연구진은 말하였다. 전통적인 우주론에서, 일반 상대성 이론이 대부분의 모델과 분석에 핵심적인 역할을 하고 있다. 이들 연구진은 현재 데이터가 우주의 구조를 축정하고 우주 팽창 역사를 알 수 있는데 충분하다고 말하였다. 즉 일반 상대성 이론과 연관된 계산에 의존할 필요가 없게 되는 것이다. 이들 연구진은 그들의 데이터 기반 방법이 점점 증가하는 관측 데이터와 결합하여 더 정밀한 측정을 가능하게 할 것이라고 말하였다. 이것은 우주 가속과 암흑 에너지에 관한 주요 문제에 대한 질문에 답하기 위한 미래 프로젝트에 유용할 것이다. 연구에서 측정된 표준 기준자는 바리온 음향 진동 스케일이다. 이것은 특정한 길이의 패턴으로서 초기 우주의 밀도에서 미세한 변이에 의해 생성된 물질의 클러스터링에 새겨진 것이다. 이런 패턴의 길이는 바리온 음향 진동 스케일이다. 이들 연구진은 이 길이가 143메가파세크(megaparsecs)라는 계산을 하였다. 이것은 일반 상대성 이론에 기반한 모델로부터 예측된 것과 비슷한다. 이들의 연구에서 발견된 것은 일반 상대성 원리에 기반한 모델과는 독립적으로 우주 거리를 측정하는 것이 가능하다는 것을 암시하고 있다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론은 뉴튼 법칙을 대체하여 거대 스케일에서 중력이 어떻게 거동하는지를 설명할 수 있다. 많은 중요한 천체 물리학 모델은 일반 상대성 이론에 기반하고 있으며, 우주 팽창과 블랙홀의 설명도 이 이론으로 가능하다. 그러나 일반 상대성으로 잘 풀리지 않는 문제들도 있다. 이것은 양자 역학의 법칙과 상대성 이론의 부조화와 우주론에 적용하기 위해서 많은 추론이 필요하다는 문제점에서 야기된다. 바르셀로나 대학의 연구진은 일반 상대성 이론의 불확실성을 극복하기 위해서 우주의 직접적인 측정을 이용하는 방법을 개발하고자 하였다. 이들의 방법은 우주의 대칭과 팽창 역사와 같은 최소한의 이론적 가설만을 이용하였다. 이들 연구진은 거리를 측정하는 것과 그것의 값을 간접적으로 유추하는 것 사이에는 큰 차이가 있다고 말하였다. 보통 우주론에서, 후자의 경우만을 사용한다. 따라서 거리를 직접적으로 측정하였다는 것은 큰 의미가 있는 것이라고 연구진은 말하였다. 우주론에서 대부분의 경우 일반 상대성 이론이 작동한다고 가정하며 거대 스케일에서도 마찬가지이다. 따라서 일반 상대성 이론에 의존하지 않고 직접적인 측정을 하였다는 점에서 이들의 연구는 중요한 것이다. 이들의 연구는 슈퍼노바와 같이 폭발하는 별들의 밝기를 측정한 천문학 데이터로부터 유도되었으며 표준 측정자의 크기를 측정하기 위해서 물질 클러스터의 규칙적인 패턴에 기반하고 있다. 이런 표준자를 생성한 물질은 빅뱅 이후 약 400,000년 정도에 생성되었다. 이런 주기는 우주의 물리학이 비교적 간단할 때의 시간이며 따라서 연구진은 측정에서 암흑 에너지와 같은 더 특이한 개념을 고려할 필요가 없었던 것이다. 이 연구에서, 이들 연구진은 매우 분명한 측정값을 이용하였다. 그리고 이들이 적용한 이론은 물리학이 단순했던 빅백 이후의 비교적 짧은 시간의 것만 이용하였다. 천체 물리학은 매우 역동적이지만 도전적인 학문 분야이며 다른 모델에 대한 증거 역시 변할 수 있다. 심지어 모델이 파기되어도, 우주의 측정은 유효하다. 만약에 이론적 모델이 아닌 실제 측정에 기반한 직접적인 측정에 기반한다면, 이런 연구는 우주론과 천체 물리학에 유용한 기여를 할 수 있을 것이다. 이들의 연구 결과는 "Standard rulers, candles and clocks from low-redshift Universe"라는 제목으로 Physical Review Letters 저널에 발표되었다. 첨부그림: 처음으로 영국의 임페리얼 칼리지 런던 대학과 스페인 바르셀로나 대학의 연구진은 천체 데이터를 사용하여 우주 팽창을 이해하는데 핵심적인 표준 거리를 측정하였다. 56-researchersu.jpg http://phys.org/print337599339.html