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[사진. (왼쪽부터) 천문우주학과·은하진화연구센터 이영욱 교수, 박승현 박사, 정철 연구교수, 조혜전 연구교수, 임동욱 연구교수, 손준혁 박사]

 

천문우주학과·은하진화연구센터 이영욱 교수팀이 암흑에너지에 의해 우주가 가속 팽창하고 있다는 기존 이론을 옹호한 영국 사우샘프턴대학교 연구팀의 반박 논문에서 주요 분석상의 오류를 확인했다.

 

두 명의 노벨상 수상자가 참여한 해당 연구팀의 분석을 재검토한 결과, Ia형 초신성의 나이 편향 기울기와 나이 편향 보정값을 산출하는 과정에서 각각 문제가 있었던 것으로 나타났다. 이에 따라 반박 논문에서 제시한 ‘우주는 여전히 가속 팽창하고 있다’는 결론 역시 재검토가 필요하다는 분석이다.

 

지난해 11월 이영욱 교수팀은 Ia형 초신성의 나이에 따른 계통적 편향을 고려할 경우 우주가 기존에 생각했던 것과 달리 더 이상 가속 팽창하지 않는다는 연구 결과를 발표했다. 연구팀의 분석에 따르면 우주의 팽창은 이미 감속 단계에 들어섰으며, 암흑에너지도 일정한 우주상수가 아니라 시간에 따라 변화하며 약해지는 성질을 보인다. 이 결과는 독립적인 우주론 탐사 수단인 암흑에너지 분광장비(DESI)의 바리온음향진동(BAO) 관측 결과와도 일치하는 것으로 나타났다.

 

그러나 지난 6월 노벨상 수상자인 아담 리스(Adam Riess)와 브라이언 슈미트(Brian Schmidt)가 참여한 사우샘프턴대 연구팀은 이에 이의를 제기하는 반박 논문을 발표했다. 이들은 초신성의 광도와 나이 사이의 관계가 이영욱 교수팀이 보고한 것보다 완만하고, 적색편이에 따른 초신성의 나이 변화도 모은하의 나이 변화보다 작을 수 있다며 우주는 여전히 가속 팽창하고 있다고 주장했다.

[그림. 이번 연구에 사용한 Ia형 초신성과 동일한 SN1994d 초신성이 모은하 NGC4526에서 폭발한 모습(왼편 아래). 사진출처 NASA/ESA.]

 

이영욱 교수팀은 이번 연구에서 이 같은 반론을 재검토해 두 가지 문제를 확인했다.

 

첫 번째는 Ia형 초신성의 표준화된 광도와 나이 사이의 관계를 나타내는 ‘나이 편향 기울기’의 측정 방법이다. 이 관계를 측정하려면 충분히 좁은 적색편이 구간에서 초신성을 비교해야 하지만, 반박 논문은 넓은 적색편이 구간의 초신성을 하나의 표본으로 결합했다.

 

연구팀의 분석 결과, 높은 적색편이의 초신성을 표본에 추가할수록 측정되는 나이 편향 기울기가 체계적으로 완만해졌으며, 실제 관측 조건을 재현한 모의 표본에서도 같은 경향이 확인됐다.

 

제1저자인 정철 연구교수는 “반박 논문에서 보고한 완만한 나이 편향 기울기는 분석 방법에서 비롯된 결과”라며 “적절한 적색편이 구간으로 비교 대상을 제한하면 강한 나이 의존성이 다시 나타난다”고 말했다.

 

두 번째는 ‘나이 편향 보정값’의 계산이다. 사우샘프턴대 연구팀은 초신성의 나이 변화량이 모은하의 나이 변화량보다 작을 가능성에 주목했지만, 이영욱 교수팀은 초신성의 나이 차이가 줄어들면 나이-광도 기울기가 더 가팔라지기 때문에 두 효과가 상당 부분 상쇄된다고 분석했다. 두 효과를 함께 고려하면 나이 편향 보정값과 이에 따른 우주론적 결론은 기존 연구 결과와 큰 차이가 없다는 설명이다.

 

이영욱 교수는 “초신성 우주론은 광도 표준화 방법인 필립스(Phillips) 관계식이 초신성의 나이에 따라 변하지 않는다는 가정에 기반하고 있다”며 “우리의 연구 결과는 이 가정이 성립하지 않을 가능성을 지속적으로 보여주고 있다”고 말했다.

 

이어 “우주의 가속 팽창을 설명하기 위해서는 이 핵심 가정이 관측적으로 타당한지 먼저 검토할 필요가 있다”며 “현재까지의 관측 결과를 바탕으로 우주의 가속 팽창과 우주상수 형태의 암흑에너지에 대한 해석을 다시 검토할 필요가 있다”고 덧붙였다.

 

연구팀은 현재 전체 적색편이 구간에서 비슷한 나이의 젊은 은하에서 발생한 초신성만을 이용하는 ‘진화 효과가 없는(Evolution-Free)’ 우주론 검증도 진행하고 있다. 향후 베라 루빈 천문대에서 확보할 대규모 초신성 표본을 활용하면 보다 정밀한 검증이 가능할 것으로 기대된다.

 

이번 연구는 한국연구재단 대학중점연구소지원사업과 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 정철 연구교수(제1저자), 이영욱 교수(교신저자)를 비롯해 손준혁 박사, 박승현 박사, 윤석진 교수, 조혜전 연구교수, 임동욱 연구교수가 공동저자로 참여했으며, 논문은 8월 27일 국제학술지 ‘Monthly Notices of the Royal Astronomical Society(MNRAS)’에 게재됐다.