로만 망원경, 토요일 발사…10억 개 은하 관측해 암흑에너지 비밀 밝힌다

로만 우주망원경(Roman Space Telescope)이 토요일 발사된다. 이 망원경은 현재 우주론에서 가장 큰 미해결 측정 문제의 한복판으로 향한다. 우주가 얼마나 빠르게 팽창하는지를 측정하는 두 가지 독립적인 방식이 8% 차이를 보이고 있기 때문이다. 빅뱅 이후 38만 년 시점의 빛인 우주 마이크로파 배경(CMB)을 측정하면 팽창률은 초당 메가파섹당 약 67킬로미터가 나온다. 반면 근처에 있는 세페이드 변광성과 Ia형 초신성을 측정하면 약 73이 나온다. 이 격차는 통계적 유의수준 4~6 시그마에 달한다. 물리학에서 이는 단순한 반올림 오차가 아니다. 표준 모형에 무엇인가 잘못됐다는 신호다.

낸시 그레이스 로만 우주망원경은 미국 동부 시간 기준 오전 7시 26분 케네디 우주센터에서 스페이스X 팰컨 헤비 로켓에 실려 발사된다. 이 망원경은 현재까지 설계된 장비 중 이 문제를 해결하는 데 가장 강력한 도구다. 2.4미터 주경(허블과 같은 지름)과 허블 시야의 200배에 달하는 하늘 영역을 한 번에 볼 수 있는 3억 화소 근적외선 카메라를 탑재해, 현재의 긴장(tension)이 요구하는 대규모 은하 분포 지도를 구축할 수 있다.

표준 모형을 무너뜨린 증거

암흑에너지는 1998년에 처음 확인됐다. 당시 두 독립 연구팀이 Ia형 초신성의 거리와 후퇴 속도를 측정한 결과, 먼 은하들이 중력에 의한 팽창 감속이 허용하는 속도보다 더 빠르게 멀어지고 있다는 사실을 발견했다. 이 관측은 2011년 노벨상을 받았고, 우주론 표준 모형에 우주상수 Λ라는 항목을 삽입했다. Λ는 암흑에너지가 밀도와 성질 모두에서 일정하며, 공간 자체의 고정된 속성이라고 본다.

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그러나 최근 두 가지 연구 결과가 이 그림을 복잡하게 만들었다. 암흑에너지 분광 장비(DESI)는 중입자 음향 진동(BAO) 데이터를 분석한 결과, 암흑에너지의 세기가 시간에 따라 변했다고 가정할 때 관측 데이터에 더 잘 들어맞는다는 결과를 발표했다. 이 발견이 암흑에너지의 변화를 증명하는 것은 아니다. 힌트일 뿐이며 통계적 확실성은 아직 충분하지 않다. 하지만 노벨상 이후 Λ에 가해진 가장 중요한 경험적 도전이다.

허블 긴장(Hubble tension)이 두 번째 압박 지점을 더한다. 표준 모형이 맞다면 초기 우주 측정과 국부 우주 측정 모두 동일한 팽창률로 수렴해야 한다. 하지만 그렇지 않다. JWST로 보정한 세페이드 변광성을 이용한 가장 최근 분석은 국부 측정값이 73km/s/Mpc 근처임을 확인했다. CMB 기반 값은 여전히 67 근처에 머문다. 더 많은 데이터가 쌓여도 격차는 줄어들지 않았다. 오히려 커졌다.

로만이 측정할 것과 그 방법

로만은 세 가지 독립적인 경로를 통해 암흑에너지 문제를 공략한다.

첫 번째는 Ia형 초신성이다. 이 초신성들은 표준화 가능한 거리 지표 역할을 한다. 각 초신성은 예측 가능한 최대 밝기에 도달하는데, 이 밝기가 그 초신성까지의 거리를 알려준다. 거리를 적색편이(우주 팽창으로 인해 은하의 빛이 늘어난 정도)와 비교하면 그 우주 시대의 팽창률을 알 수 있다. 로만은 지상 관측보다 훨씬 넓은 적색편이 범위에서 연간 수천 개의 초신성을 발견할 것으로 예상되며, 현재 장비로는 접근할 수 없는 정밀도로 우주의 가속 역사를 매핑할 것이다.

두 번째 경로는 중입자 음향 진동(BAO)이다. 초기 우주의 음파는 은하들이 어떻게 뭉치는지에 특징적인 규모를 남겼다. 은하 쌍이 약 4억 9천만 광년 간격으로 떨어져 있을 통계적 선호도가 바로 그것이다. 이 규모는 ‘표준 자’ 역할을 한다. 서로 다른 적색편이에서 이 규모가 얼마나 크게 보이는지 측정하면 각 우주 시대의 팽창 역사를 재구성할 수 있다. 로만의 광시야 영상 장비는 수백만 개의 은하를 매핑해 현재 관측이 따라올 수 없는 통계적 힘을 제공할 것이다.

세 번째는 약한 중력 렌즈 현상이다. 이는 전경 구조물의 질량에 의해 배경 은하의 형태가 약간 왜곡되는 현상이다. 중력 렌즈는 물질이 시간에 따라 어떻게 뭉쳐졌는지를 추적하며, 이는 암흑물질의 밀도와 암흑에너지의 거동 모두에 민감하다. 초신성 및 BAO 데이터와 결합하면 중력 렌즈는 팽창 역사의 불일치가 실제인지 관측 장비의 문제인지를 가려낼 수 있는 교차 검증 수단을 제공한다.

이전 장비와의 비교

허블의 적외선 카메라는 노출당 약 10 제곱각분을 커버한다. 로만은 약 0.28 제곱도를 커버하는데, 이는 비슷한 해상도와 깊이에서 허블의 약 100배에 달하는 면적이다. 로만의 광시야 장비는 허블이 수년에 걸쳐 조사해야 할 하늘 영역을 수 주 만에 볼 수 있다. JWST는 뛰어난 깊이를 제공하지만 시야는 허블과 비슷하다. JWST가 현미경이라면 로만은 광각 렌즈다. 2023년에 발사돼 이미 데이터를 보내오고 있는 유럽우주국(ESA)의 유클리드는 로만보다 더 넓은 시야를 가지지만 공간 해상도와 깊이는 낮다. 두 임무는 서로를 보완할 것으로 예상된다.

규모의 차이가 이 임무의 핵심 논거다. 진정한 우주상수와 진화하는 암흑에너지를 구별하는 데 필요한 정밀도로 암흑에너지의 특성을 측정하려면 수백만 개의 천체에 대한 통계적 표본이 필요하다. 허블 긴장은 소규모 관측으로는 해결될 수 없다. 인구 조사가 필요하다.

로만이 해결하지 못할 것

로만의 측정은 암흑에너지에 대한 제약 조건을 상당히 강화할 것이지만, 현재 암흑에너지에 붙어 있는 모든 질문을 해결하지는 못할 것이다. 이 장비는 암흑에너지를 직접 감지할 수 없다. 관측 가능한 양에 미치는 영향을 측정할 뿐이며, 그 측정값은 고유한 체계적 불확실성을 수반한다. 예를 들어 Ia형 초신성의 보정은 세페이드 변광성의 거리 측정에 의존하며, 이는 다시 이 별들의 맥동 특성이 화학적 환경에 의해 어떻게 영향을 받는지에 달려 있다. 바로 이 보정 사슬이 현재 허블 긴장이 자리 잡고 있는 지점이다.

로만의 데이터가 H0 격차를 좁혀 국부 측정과 초기 우주 측정을 더 가깝게 만든다면, 이는 긴장이 이전 측정의 설명되지 않은 체계적 오류에서 비롯되었음을 시사할 것이다. 로만의 개선된 보정 후에도 격차가 지속되거나 더 벌어진다면, 이는 표준 모형이 진정으로 불완전하다는 강력한 증거가 될 것이다. 후자의 결과가 더 중대한 결과를 가져오겠지만, 그 자체로 무엇이 잘못되었는지를 지목하지는 않을 것이다. 단지 무언가 잘못되었다는 것만 확인해줄 뿐이다.

이 임무에 참여하고 있는 NASA 제트추진연구소의 우주론자 제이슨 로즈(Jason Rhodes)는 현재 상황을 이렇게 단순하게 설명했다. “우리는 초기 우주 측정과 후기 우주 측정 사이에 긴장이 나타나기 시작하는 것을 보고 있습니다.” 로만은 바로 그 긴장을 사라지게 하거나, 확인된 변칙으로 굳히기 위해 특별히 설계됐다.

발사 후 시운전에는 약 90~100일이 소요되며, 과학 운영은 2027년 초에 시작될 예정이다. 망원경은 지구에서 약 150만 킬로미터 떨어진 L2 라그랑주 지점에서 운용될 것이며, JWST가 이미 그곳에서 궤도에 있다. 기본 임무 기간은 5년이다.

로만 망원경과 암흑에너지에 관한 자주 묻는 질문

암흑에너지란 정확히 무엇인가?
암흑에너지는 우주의 팽창이 가속되는 알려지지 않은 원인에 붙여진 이름이다. 현재 추정으로 우주 전체 에너지 함량의 약 68%를 차지하지만, 그 물리적 본질은 여전히 알려져 있지 않다. 가장 단순한 모형은 암흑에너지를 빈 공간 자체에 내재된 일정한 에너지 밀도로 취급한다. 더 복잡한 모형은 암흑에너지가 시간에 따라 변하거나 우주상수와 성질이 다를 수 있다고 본다. 로만은 이러한 가능성들을 구별하도록 설계됐다.

허블 긴장이란 무엇인가?
허블 상수(H0)는 우주가 현재 얼마나 빠르게 팽창하고 있는지를 측정한다. 두 가지 광범위한 측정 범주(하나는 우주 마이크로파 배경을 출발점으로 사용하고, 다른 하나는 세페이드 변광성과 초신성 같은 국부 표준 촉매를 사용)가 일관되게 서로 다른 값(각각 약 67과 73km/s/Mpc)을 제공한다. 이 불일치는 통계적으로 충분히 유의미해 우연으로 설명될 수 없지만, 그 원인은 아직 해결되지 않았다.

로만은 제임스 웹 우주망원경과 어떻게 다른가?
JWST는 뛰어난 감도로 개별 천체를 깊고 좁게 관찰하는 데 최적화됐다. 로만은 허블과 같은 주경 크기를 가지지만 시야가 100~200배 더 넓다. 깊이를 희생해 폭을 택한 것이다. 두 망원경은 함께 작동하도록 설계됐다. 로만이 대규모로 발견하고 조사하면, JWST가 특정 표적을 상세히 후속 관측한다.

왜 암흑에너지가 우주론을 넘어 중요한가?
암흑에너지는 우주의 장기적 운명을 결정한다. 암흑에너지가 진정으로 일정하다면 우주는 무한히 가속 팽창을 계속할 것이며, 결국 은하들은 서로의 빛이 닿지 않는 거리로 멀어질 것이다. 암흑에너지가 시간에 따라 변하거나 반전된다면 그 궤적은 달라진다. 로만의 측정은 이러한 시나리오 중 어떤 것이 물리적으로 타당한지를 제약할 것이다.

허블 긴장이 로만의 정밀 조사에서도 살아남는다면, 우주론은 새로운 모형을 필요로 하게 될 것이다. 즉, 우주의 가장 초기 신호와 가장 최근 신호가 더 이상 일치하지 않는 이유를 설명할 수 있는 모형이 필요해진다.

태그: nasa, cosmology, dark energy, dark matter, Hubble tension, Nancy Grace Roman Space Telescope

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