노벨상까지 받은 ‘암흑 에너지’, 정말 존재하지 않을까?
2011년 노벨 물리학상을 안겨준 ‘암흑 에너지’의 발견은 현대 우주론의 가장 큰 기둥 중 하나였습니다. 우주가 점점 더 빠르게 팽창하고 있다는 ‘가속 팽창’ 현상을 설명하기 위해 도입된 미지의 에너지였죠. 그런데 얼마 전, 연세대학교 이영욱 교수 연구팀이 이 암흑 에너지의 존재에 정면으로 의문을 제기하는 논문을 발표하며 전 세계 천문학계를 놀라게 했습니다. 만약 이들의 주장이 사실이라면, 우리는 우주를 완전히 새로운 시각으로 바라봐야 할지도 모릅니다. 대체 어떻게 된 일일까요? 초등학생도 이해할 수 있도록 쉽고 친절하게 설명해 드릴게요.
우주의 거리를 재는 특별한 자, ‘표준 촛불’ 초신성
우주가 가속 팽창한다는 것을 알려면, 먼저 아주 멀리 있는 은하까지의 거리를 정확하게 측정해야 합니다. 하지만 수십억 광년 떨어진 은하의 거리를 재는 건 보통 일이 아니죠. 이때 천문학자들은 ‘표준 촛불’이라는 아주 특별한 도구를 사용합니다. 밝기가 항상 일정한 천체를 의미하는데, 멀리 있을수록 어둡게 보인다는 간단한 원리를 이용해 거리를 역산하는 것이죠. 그리고 이 역할을 완벽하게 수행한 것이 바로 ‘Ia형 초신성(Type 1a Supernova)’입니다. Ia형 초신성은 백색왜성이 동반성으로부터 물질을 빨아들이다가 태양 질량의 약 1.44배라는 물리적 한계점(찬드라세카르 한계)에 도달하는 순간 폭발하는 현상입니다. 폭발하는 조건이 항상 같기 때문에, 그 밝기 또한 항상 일정할 것이라고 과학자들은 믿었습니다. 마치 우주 곳곳에 놓인 ‘100W짜리 표준 전구’와 같다고 생각한 것이죠.
‘암흑 에너지’의 화려한 등장과 노벨상
1998년, 과학자들은 이 Ia형 초신성이라는 표준 촛불을 이용해 멀리 있는 은하들을 관측했습니다. 그리고 놀라운 사실을 발견했죠. 아주 멀리 있는 은하에서 폭발한 Ia형 초신성일수록 예상보다 더 어둡게 보였던 것입니다. 이는 해당 은하가 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 멀리 떨어져 있다는 의미였고, 우주의 팽창 속도가 과거보다 현재가 더 빠르다는 ‘가속 팽창’의 강력한 증거가 되었습니다. 일반적인 중력 이론대로라면 우주의 팽창은 서서히 느려져야 하는데, 오히려 빨라지고 있다니! 과학자들은 이 미스터리한 팽창을 일으키는 미지의 힘을 ‘암흑 에너지’라고 이름 붙였고, 이 발견은 2011년 노벨 물리학상 수상의 영예를 안았습니다.
오랜 믿음에 대한 의문: 초신성의 ‘광도 진화 가설’
하지만 이 모든 논리에는 한 가지 아주 중요한 가정이 숨어있었습니다. 바로 ‘100억 년 전에 터진 Ia형 초신성이나 오늘 터진 Ia형 초신성이나 그 밝기는 완전히 똑같다’는 것이죠. 정말 그럴까요? 연세대 이영욱 교수 연구팀은 바로 이 지점에 의문을 제기했습니다. 빅뱅 직후 초기 우주는 수소와 헬륨이 대부분이었지만, 시간이 흐르며 별의 진화를 통해 무거운 원소들이 점차 많아졌습니다. 즉, 100억 년 전 은하의 환경과 현재 은하의 환경은 전혀 다릅니다. 이렇게 은하의 환경(원소 구성비)이 시간에 따라 달라진다면, 그 안에서 폭발하는 초신성의 밝기 또한 미세하게 달라질 수 있다는 주장, 이것이 바로 ‘광도 진화 가설’입니다. 만약 나이 든(멀리 있는) 초신성이 젊은(가까이 있는) 초신성보다 원래 더 밝았다면 어떨까요? 우리가 더 어둡게 관측한 이유가 ‘더 멀리 있어서’가 아니라 ‘원래 덜 밝아서’일 수도 있다는 뜻이 됩니다.
암흑 에너지의 종말? 연세대 연구팀의 결정적 증거
이영욱 교수 연구팀은 이 가설을 증명하기 위해, 다른 방법으로 비교적 정확한 거리를 알고 있는 은하에서 발생한 Ia형 초신성 데이터 300여 개를 분석했습니다. 그 결과, 놀랍게도 초신성의 나이(즉, 은하의 나이)에 따라 밝기가 체계적으로 다르다는 증거를 찾아냈습니다. 상대적으로 나이가 많은 별들로 이루어진 은하의 초신성이 더 밝게 나타난 것이죠. 이 연구 결과가 우연일 확률은 100억 분의 1 이하에 불과했습니다. 연구팀이 이 ‘광도 진화 효과’를 고려하여 은하들의 거리를 다시 계산하자, 우주가 가속 팽창한다는 결론이 뒤집혔습니다. 오히려 우주는 빅뱅의 힘으로 팽창하되, 수많은 은하의 중력에 의해 팽창 속도가 아주 조금씩 느려지는 ‘감속 팽창’을 하고 있다는 결과가 나온 것입니다. 이는 우주를 밀어내는 미지의 힘, 즉 암흑 에너지가 사실은 존재하지 않을 수도 있다는 충격적인 결론으로 이어집니다.
새로운 우주를 향한 문, 앞으로의 과제
물론 아직 모든 것이 끝난 것은 아닙니다. 이 주장이 학계의 정설로 인정받기 위해서는 300개보다 훨씬 더 많은 데이터를 통해 검증받는 과정이 필요합니다. 다행히 현재 가동을 시작한 LSST 같은 차세대 대형 망원경이 더 많은 데이터를 제공해 줄 것입니다. 만약 연세대 연구팀의 발견이 사실로 확정된다면, 지난 20여 년간 현대 물리학의 가장 큰 수수께끼였던 암흑 에너지는 ‘표준 촛불’에 대한 잘못된 가정에서 비롯된 거대한 해프닝으로 역사 속에 사라질지도 모릅니다. 대한민국 연구팀이 열어젖힌 새로운 우주론의 시대가 과연 어떻게 펼쳐질지, 전 세계가 주목하고 있습니다.
