‘우주 팽창’ 속도 재는 새로운 방법 개발… ‘허블 긴장’ 푼다

우주 팽창이 이루어지고 있다는 사실은 수십 년 전부터 알려져 왔다. 과학자들은 현재 우주가 얼마나 빠르게 팽창하는지를 ‘허블 상수‘라는 값으로 나타낸다. 문제는 이 허블 상수를 측정하는 방법마다 서로 다른 값이 나온다는 점이다. 이를 ‘허블 긴장(Hubble tension)’이라고 부르며, 현대 우주론에서 가장 큰 문제점 가운데 하나로 꼽힌다.  

미국 일리노이대학교와 시카고대학교 연구진은 최근 중력파를 이용해 허블 상수를 계산하는 새로운 방법을 개발했다. 중력파는 블랙홀 같은 천체가 충돌할 때 생기는 시공간의 잔물결이다.  

왜 허블 상수 값이 다를까

허블 상수는 우주가 1메가파섹(약 326만 광년) 거리마다 얼마나 빠르게 멀어지는지를 나타내는 값이다. 쉽게 말해, 멀리 있는 은하가 얼마나 빨리 우리로부터 멀어지는지를 재는 숫자다.  

현재 허블 상수를 재는 방법은 크게 두 가지다. 하나는 빛을 이용하는 방법이다. 예를 들어 초신성은 밝기가 일정한 ‘표준 촛불’로 사용된다. 초신성의 실제 밝기를 알고 있으면, 관측된 밝기를 통해 거리를 계산할 수 있다. 여기에 그 초신성이 우리에게서 얼마나 빠르게 멀어지는지 속도를 더하면, 우주 팽창 속도를 구할 수 있다.  

다른 하나는 중력파를 이용하는 방법이다. 블랙홀 충돌에서 나오는 중력파는 일종의 ‘표준촛불’ 역할을 한다. 중력파 신호만으로도 충돌 지점까지의 거리를 계산할 수 있다. 다만 그 지점이 우주 팽창 때문에 얼마나 빠르게 멀어지는지는 직접 알 수 없다. 이를 알려면 빛으로 방출된 신호를 찾거나, 해당 은하를 특정해야 한다.  

이 두 방식은 같은 물리 법칙을 기반으로 하지만, 초기 우주 데이터를 이용한 계산값과 최근 우주 데이터를 이용한 계산값이 서로 다르게 나온다. 만약 이 차이가 단순한 오차가 아니라면, 초기 우주의 에너지 구성이나 암흑에너지, 암흑물질과 중성미자 상호작용 등 기존 이론을 수정해야 할 가능성도 있다.  

보이지 않는 중력파 ‘배경’을 이용하다

연구진은 이번에 새로운 접근을 제안했다. 개별 블랙홀 충돌 신호가 아니라, 아직 검출되지 않은 중력파 배경을 이용하는 방식이다. 중력파 배경은 수많은 블랙홀 충돌에서 나온 신호들이 겹쳐져 만들어지는, 일종의 우주적 ‘웅웅거림’이다. 현재 중력파 관측은 강한 신호는 잡아낼 수 있지만, 아주 약한 배경 신호까지는 아직 완전히 감지하지 못한다.  

연구진은 이런 점에 주목했다. 만약 허블 상수가 작아 우주 팽창 속도가 느리다면, 같은 수의 블랙홀 충돌이 더 작은 부피 안에서 일어난다. 그러면 단위 공간당 충돌 밀도가 높아지고, 중력파 배경 신호도 더 강해진다. 그런데 현재까지 중력파 배경이 검출되지 않았다는 사실은, 허블 상수가 너무 낮을 가능성을 배제하는 증거가 될 수 있다.  

연구진은 이 방법을 ‘확률적 사이렌 방법’이라고 이름 붙였다. ‘확률적’이라는 말은 충돌 사건들이 무작위로 일어나기 때문이다.  

기존 방법과 결합해 정확도 높여

연구진은 현재 LIGO-Virgo-KAGRA 데이터에 이 방법을 적용했다. 그 결과, 중력파 배경이 아직 관측되지 않았다는 사실만으로도 우주 팽창 속도가 매우 느리다는 가설에 불리한 증거를 제시할 수 있었다.  

또한 개별 블랙홀 충돌을 이용해 계산한 허블 상수 값과 확률적 사이렌 방법을 결합했다. 그 결과 허블 상수 추정값의 정확도가 높아졌고, 값은 허블 긴장 영역에 더 가까워졌다. 이는 새롭게 개발한 방법이 실제 유효하다는 것을 보여준다.  

앞으로 중력파 검출기의 감도가 더 높아지면, 중력파 배경이 실제로 검출될 가능성이 있다. 연구진은 향후 6년 안에 배경 신호가 포착될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 그 전까지도 배경 신호의 상한값을 점점 더 정밀하게 제한하면서 허블 상수 범위를 좁힐 수 있다.  

우주 팽창 속도가 얼마나 되는지는 단순한 숫자 문제가 아니다. 우주의 나이, 구성 성분, 미래 운명을 이해하는 핵심 단서가 된다. 중력파라는 새로운 도구가 허블 긴장을 풀 실마리를 제공할 수 있을지 주목된다.

성치훈 기자/ hello@sciencewave.kr

출처: Phys.org, “Physicists develop new method for measuring the universe’s expansion”