솔직히 저는 학창 시절부터 우주가 5%의 보통 물질, 25%의 암흑물질, 70%의 암흑에너지로 이루어져 있다는 설명을 너무 자주 들어서 그게 거의 확정된 진실처럼 느껴졌습니다. 그런데 최근 연세대학교 이영욱 교수 연구팀이 영국 왕립 천문학회지에 발표한 논문을 접하고 나서, 2011년 노벨 물리학상까지 받은 암흑에너지 이론이 사실은 잘못된 가정에서 출발했을 수도 있다는 주장에 상당히 충격을 받았습니다. 이번 연구는 타입 1A 초신성의 광도 진화 효과를 새롭게 규명하면서, 우주가 가속 팽창한다는 기존 해석 자체를 다시 검토해야 한다고 제시하고 있습니다.
타입1A초신성이 표준 촛불이 된 배경
1998년 암흑에너지 개념이 처음 등장한 배경을 이해하려면, 타입 1A 초신성이라는 천체 현상부터 알아야 합니다. 초신성(supernova)이란 별이 폭발하면서 엄청난 빛을 방출하는 현상인데, 동서양을 막론하고 수천 년 전부터 밤하늘에서 갑자기 나타났다가 사라지는 별로 관측되어 왔습니다. 여기서 타입 1A 초신성이란 백색왜성이 동반성으로부터 물질을 흡수하다가 찬드라세카르 한계 질량(태양 질량의 1.43배)에 도달하면서 폭발하는 현상을 말합니다. 찬드라세카르 한계 질량이란 백색왜성이 중력 붕괴 없이 안정적으로 유지할 수 있는 최대 질량을 의미하며, 이 값을 초과하면 별이 더 이상 자신을 지탱하지 못하고 폭발하게 됩니다.
제가 이 부분에서 흥미롭게 느낀 점은, 타입 1A 초신성이 모두 거의 동일한 광도 변화 곡선을 보인다는 발견이 순전히 우연에서 시작되었다는 사실입니다. 1990년대 연구팀이 논문 자료를 정리하던 중 여러 초신성의 그래프가 거의 복사 붙여 넣기 수준으로 일치하는 것을 발견했고, 이는 마치 서로 다른 주식 종목의 1년 치 거래량 그래프가 완전히 겹치는 것만큼이나 이상한 현상이었습니다. 과학자들은 이런 초신성들을 타입 1A로 따로 분류하고, 이들이 모두 같은 물리적 조건(찬드라세카르 한계 질량)에서 폭발하기 때문에 방출하는 에너지도 거의 같을 것이라고 가정했습니다(출처: 한국천문학회). 이 가정이 중요한 이유는 타입 1A 초신성을 우주 거리 측정의 '표준 촛불(standard candle)'로 사용할 수 있기 때문입니다. 표준 촛불이란 실제 밝기를 이미 알고 있는 천체를 의미하며, 지구에서 관측되는 겉보기 밝기와 실제 밝기의 차이를 이용해 거리를 역산할 수 있습니다. 저도 처음 이 개념을 배울 때는 단순히 "밝기로 거리를 잰다"는 정도로만 이해했는데, 실제로는 거리 제곱에 반비례하는 물리 법칙을 정교하게 적용하는 과정이라는 걸 나중에야 깨달았습니다. 타입 1A 초신성은 은하 전체보다도 밝게 빛나기 때문에 수십억 광년 떨어진 은하에서 발생해도 관측이 가능하며, 이를 통해 우주 팽창 속도를 측정할 수 있게 되었습니다.
광도진화 가설과 새로운 증거
그런데 연세대 이영욱 교수 팀을 비롯한 일부 과학자들은 오래전부터 한 가지 의문을 제기해 왔습니다. 지금 발생하는 타입 1A 초신성과 100억 년 전에 발생했던 타입 1A 초신성이 정말 같은 밝기일까? 이것이 바로 광도 진화 가설(luminosity evolution hypothesis)입니다. 광도 진화란 시간에 따라 초신성의 절대 광도(실제 밝기)가 변할 수 있다는 개념으로, 우주 초기와 현재의 은하들은 원소 구성비가 다르기 때문에 같은 조건에서 폭발하더라도 밝기가 달라질 수 있다는 주장입니다. 저도 이 논리를 처음 접했을 때는 고개가 끄덕여졌습니다. 우주는 빅뱅 초기에 수소와 헬륨만 존재했고, 시간이 지나면서 별 내부 핵융합을 통해 탄소, 산소 같은 중원소가 만들어졌습니다. 따라서 100억 광년 떨어진 은하를 본다는 것은 100억 년 전 우주를 보는 것이고, 그 시기 은하의 중원소 함량은 현재와 분명 다를 수밖에 없습니다. 그렇다면 같은 타입 1A 초신성이라도 원소 조성이 다르면 폭발 에너지나 방출되는 빛의 양도 달라질 수 있다는 것이 광도 진화 가설의 핵심입니다. 문제는 이 가설에 결정적인 증거가 없었다는 점입니다. 그런데 이영욱 교수 팀은 최근 타입 1A 초신성 외에 다른 방법(펄서 등)으로 거리를 이미 알고 있는 은하에서 발생한 초신성 데이터 300개를 분석해, 상대적으로 젊은 타입 1A 초신성이 예상보다 조금 더 어둡고 나이 든 초신성이 조금 더 밝다는 패턴을 발견했습니다. 연구팀은 이 결과가 우연일 확률이 100억 분의 1 이하라고 밝혔으며, 이는 통계적으로 거의 확실하다는 의미입니다(출처: 연세대학교 연구처). 제 생각에는 300개라는 표본 수가 아직 충분하지 않을 수 있다는 우려도 있지만, 그럼에도 100억 분의 1이라는 확률은 무시하기 어려운 수준입니다.
우주팽창 해석의 재검토
광도 진화 효과를 고려하면 우주 팽창에 대한 해석이 완전히 달라집니다. 기존 이론은 멀리 떨어진 은하일수록 더 빠르게 멀어진다는 관측 결과를 근거로, 우주가 가속 팽창(accelerating expansion)하고 있으며 이를 설명하기 위해 암흑에너지라는 미지의 에너지가 필요하다고 주장했습니다. 가속 팽창이란 우주 팽창 속도가 시간이 지날수록 점점 빨라지는 현상을 의미하며, 이는 중력만으로는 설명할 수 없기 때문에 암흑에너지라는 새로운 개념이 도입된 것입니다. 그런데 이영욱 교수 팀의 연구에 따르면, 광도 진화 차이를 보정해서 은하까지의 거리를 다시 계산하면 우주는 가속 팽창이 아니라 오히려 감속 팽창(decelerating expansion) 중일 가능성이 높다고 합니다. 감속 팽창이란 우주가 여전히 팽창하고 있지만, 은하들 사이의 중력 때문에 팽창 속도가 조금씩 느려지고 있다는 의미입니다. 저는 이 부분을 읽으면서, 암흑에너지가 사실은 관측 데이터를 잘못 해석해서 만들어진 개념일 수도 있다는 생각에 적잖이 놀랐습니다. 실제로 아인슈타인도 1917년 우주 방정식을 처음 발표할 때 우주상수(cosmological constant)라는 개념을 도입했다가, 나중에 허블이 우주 팽창을 발견하자 이를 "최대의 실수"라고 고백한 적이 있습니다. 우주상수란 우주 공간 자체가 가진 에너지 밀도를 나타내는 값으로, 현재 암흑에너지의 정체로 가장 유력하게 거론되는 개념입니다. 아이러니하게도 아인슈타인이 실수라고 여겼던 이 우주상수가 1998년 이후 다시 주목받았는데, 이제 광도 진화 가설이 검증되면 또다시 해석이 바뀔 수 있는 상황입니다. 다만 현재로서는 관측 데이터가 300개로 제한되어 있어 추가 검증이 필요합니다. 세계 최대 구경 망원경인 LSST(Vera C. Rubin Observatory)가 최근 가동을 시작했고 우리나라 연구팀도 참여 예정이라고 하니, 앞으로 더 많은 데이터가 축적되면 광도 진화 효과를 더 정확하게 수치화할 수 있을 것으로 보입니다. 제 경험상 과학은 단 한 번의 연구로 결론이 나는 경우가 거의 없고, 여러 독립적인 연구팀의 재현 실험과 추가 관측을 통해 서서히 합의가 이뤄지는 과정이기 때문에, 당분간은 "암흑에너지가 있다 vs 없다"라는 논쟁이 계속될 것 같습니다.
결론
개인적으로 이번 연구에서 가장 인상적이었던 부분은, 2011년 노벨상을 받은 이론이라고 해서 영원한 진리가 아니라는 점을 다시 확인한 것입니다. 과학은 권위보다 데이터와 논리를 우선시하며, 새로운 관측 결과가 나오면 기존 이론도 얼마든지 수정될 수 있습니다. 저는 학창 시절 교과서에 나온 내용을 거의 절대적 진실처럼 외웠던 기억이 있는데, 이제는 과학 지식도 끊임없이 업데이트되는 과정 중에 있다는 걸 받아들이게 되었습니다. 암흑에너지가 정말 존재하지 않는 것으로 밝혀진다면, 우주론 교과서 전체를 다시 써야 할 만큼 큰 변화가 올 것입니다. 반대로 광도 진화 효과가 미미한 수준으로 확인된다면, 암흑에너지 이론은 더욱 탄탄한 근거를 얻게 될 것입니다. 앞으로 몇 년간 추가 관측 데이터가 쌓이고, 다른 연구팀들의 검증 작업이 이어지면서 이 논쟁의 결론이 점차 명확해질 것으로 기대합니다. 개인적으로는 우리나라 연구팀이 이런 중요한 문제 제기를 했다는 점에서 자부심을 느끼면서도, 과학적 검증 과정이 충분히 이뤄져야 한다는 점도 함께 염두에 두고 있습니다. 어떤 결과가 나오든, 이 과정 자체가 우주를 이해하는 인류의 지식을 한 단계 더 발전시킬 것이라고 생각합니다.
참고: https://www.youtube.com/watch?v=LSEnKTht_r0, https://horizon.kias.re.kr/7795/