우주의 팽창이 예상보다 빠르게 진행됨을 알아내다.

 

Credit: NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU)

 

그림 1> 이 삽화는 천문학자들이 우주의 팽창율을 유례없는 정확도로 측정해 나간 세 단계를 보여주고 있다.
이번 작업으로 인해 우주의 팽창율에 대한 부정확성은 2.4퍼센트 수준으로 줄어들었다.

천문학자들은 우주적 거리측정 사다리를 보다 간소하면서도 견고하게 구축함으로써 이번 성과를 이뤄낼 수 있었다. 

각 단계는 왼쪽부터 다음과 같다.
우선 천문학자들은 허블우주망원경을 이용하여 세페이드 변광성이라 부르는 주기적인 빛의 밝기 변화를 보여주는 별까지의 거리를 측정하였다.
이 측정에는 연주시차라 부르는 기초적인 기하학적 방법이 채용되었다.

이 기술은 지구에서 거리를 측정하는 토목기사들이 사용하는 것과 동일한 방식이다.

그 거리를 규명함으로써 세페이드 변광성에 대한 고유 밝기 측정치가 얻어지면, 동일 주기를 갖는 변광성들은 연주시차를 통해 거리 측정이 가능한 범위를 훨씬 넘어서는 머나먼 은하에서 우주적 거리의 측정자로 사용될 수 있게 된다.

세페이드 변광성의 빛의 변화 양상은 좀더 밝은 세페이드 변광성일수록 보다 느린 빛의 변화 양상을 보여줌으로써 고유 밝기를 보다 정밀하게 측정할 수 있는 추가적인 단서를 제공해준다.

천문학자들은 이렇게 측정된 해당 별의 고유 밝기 값을 지구에서 봤을 때 나타나는 겉보기 밝기와 비교함으로써 정확한 거리를 결정하게 된다.

이렇게 세페이드 변광성들의 밝기값이 정교하게 조정되면 미리내 너머 다른 은하로 넘어갈 수 있게 되는 것이다. (삽화 중앙)

천문학자들은 세페이드 변광성을 가지고 있는 은하들을 찾거나 또다른 신뢰도 높은 거리 측정지표인, 폭발시 동일한 양의 밝기를 나타내는 Ia 유형 초신성을 가진 은하를 찾는다.

그리고 세페이드 변광성을 이용하여 측정한 거리를 통해 동일한 은하 내에 있는 초신성의 고유 밝기를 측정한다.

이러한 측정치를 이용하여 다시 해당 은하까지의 거리를 재검증할 수 있게 되는 것이다.

그 후 또다시 지구에서 훨씬 더 멀리 떨어진 은하에 자리잡은 초신성을 찾아나선다.

세페이드 변광성과는 달리 Ia 유형의 초신성은 상대적으로 먼 거리에서도 충분히 볼 수 있을만큼 밝게 빛난다.

천문학자들은 이처럼 멀리 떨어진 초신성의 고유 밝기와 겉보기 밝기를 비교함으로써 그 거리를 측정할 수 있게 되고 해당 지점에서 나타나는 우주의 팽창양상을 볼 수 있게 되는 것이다. (삽화 우측)

천문학자들은 이러한 거리 측정치를 우주의 팽창에 따라 초신성의 빛이 얼마나 더 긴 파장으로 이동하였는지와 비교한다.

이 두 개 값을 이용하여 이른바 허블 상수라 불리는, 우주가 얼마나 빠르게 팽창하는지에 대한 값을 계산할 수 있게 되는 것이다.

 

천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여 우주가 예상보다 5%에서 9%정도 더 빠른 속도로 팽창하고 있다는 사실을 밝혀냈다.

 

이번 연구의 책임자이자 노벨상 수상자인 존스 홉킨스 대학 및 우주망원경과학 연구소 애덤 리스(Adam Riess)의 소감은 다음과 같다.
"이번에 알아낸 놀라운 결과는 암흑에너지나 암흑물질, 암흑복사와 같이 우주 전체의 95%를 차지하면서도 일체의 복사를 방출하지 않는, 수수께끼에 싸여 있는 우주의 많은 부분을 이해할 수 있는 중요한 단서가 될지도 모릅니다."

 

이번 연구결과는 천체물리학 저널에 개재될 예정이다.

 

우주의 가속팽창을 설명할 수 있는 가설이 몇 개 있다.
그 중 하나는 바로 암흑 에너지에 대한 것이다.

 

이미 우주는 가속 팽창을 하는 것으로 알려져 있다.
암흑에너지는 바로 각 은하들을 훨씬 더 강력하게 떼어놓는 기재인지도 모른다.

 

또다른 가설은 우주 초기시대에 만들어진, 거의 광속의 속도에 육박하는 새로운 아원자 입자가 우주에 존재한다고 가정하고 있다.
이처럼 빠른 속도로 움직이는 입자들을 총칭하여 "암흑 복사"라고 부르는데, 중성미자와 같이 익히 알고 있는 입자 역시 여기에 속한다.

여러 암흑 복사로부터 나온 여분의 에너지는 빅뱅의 궤적으로부터 오늘날의 팽창율을 예측하는데 최상의 원인으로 환원될 수 있다.

 

팽창율의 증가는 또한 암흑물질이 뭔가 독특하며, 아직까지는 알려져 있지 않은 특성을 소유하고 있음을 의미하는 것일수도 있다.

암흑물질은 오늘날 우리 눈에 보이는 장대한 구조를 만들어내는데 그 뼈대가 된 물질이다.

 

또한 궁극적으로 좀더 빠르게 팽창하는 우주는 천문학자들에게 아인슈타인의 중력이론이 완벽한 것은 아니라는 점을 말해주는 것일 수도 있다.

 

리스와 그의 연구팀은 우주의 현재 팽창율을 전례없는 정확도로 재산정하는 와중에 우주의 팽창이 더 빠르게 발생하고 있음을 발견하였다.
이번 연구로 인해 우주팽창율의 오차는 2.4퍼센트로 줄어들게 되었다.

 

연구팀의 이번 작업은 머나먼 은하의 거리를 측정하는데 있어서 그 정확도를 개선한 획기적인 기술의 개발에 의해 가능했다.
이러한 측정치는 이른바 허블상수라 불리는, 우주가 얼마나 빨리 팽창하는지를 보다 정확하게 계산할 수 있게 해주는 근간이 된다.

 

이번에 개선된 허블 상수값은 1메가파섹(Mpc) 당 73.2km/sec 이다.
(1메가파섹은 326만 광년에 해당한다.)

 

이 측정치가 의미하는 것은 우주의 각 천체 간의 거리가 향후 98억년 동안 두 배로 멀어진다는 것을 의미한다.

 

그러나 이번에 정교화된 측정치는 또 하나의 수수께끼를 만들어주고 있다.
이 값이 빅뱅 바로 이후의 궤적으로부터 예측된 우주의 팽창률과 잘 들어맞지 않기 때문이다.

 

빅뱅의 잔광을 NASA 윌킨슨 마이크로파 비등방성탐사위성( Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP) 및 유럽우주국의 플랑크 위성을 이용햐여 탐사한 측정치는 허블상수가 각각 5퍼센트와 9퍼센트 작은 값으로 도출되었다.
 
이번 연구의 핵심적인 협력 연구원인 텍사스 A&M 대학 루카스 매크리(Lucas Macri)의 설명은 다음과 같다.
"암흑물질이나 암흑에너지, 암흑복사에 대해서 우리는 거의 알지 못하고 있습니다.
그러나 이들은 오랜세월동안 우주 공간이 얼마나 밀고 당겨왔는지를 특정하는데 있어 매우 중요한 요소죠."

 

리스의 설명은 다음과 같다.
"만약 우리가 암흑에너지나 암흑물질과 같은 모종의 물질들에 대한 최초의 값을 알고 있다면, 그리고 우리의 물리학이 틀리지 않다면 빅뱅 바로 이후의 측정치를 가지고도 우리는 앞으로 나갈 수가 있게 되죠.
그리고 이에 대한 이해를 바탕으로 우주가 오늘날 얼마나 빠르게 팽창하고 있는지를 예측할 수 있게 됩니다.
그러나 이번에 발견된 불일치가 해소되지 않는 한, 우리가 가지고 있는 지식은 올바른 것이 아닐 수도 있는 것이며, 이는 허블상수가 바뀌어야 한다는 것을 말해주는 것일 수도 있습니다."

 

리스는 WMAP과 플랑크 위성, 그리고 허블우주망원경을 이용한 측정치를 비교하는 것은 마치 다리를 잇는 것과 같은 작업이라고 말했다.

저 멀리 보이는 해변은 초기 우주에서 관측된 우주배경복사이고, 가까이 있는 해변은 리스의 연구팀이 허블우주망원경을 이용하여 측정해낸 값이다.

 

리스의 설명은 다음과 같다.
"우리의 설계가 맞고 측정치가 맞다면 양 끝단에서 시작한 다리는 결국 중간에서 만나게 될 것입니다.
그러나 지금 우리 상황은 이 다리가 중간에서 서로 만나지 못하고 있다는 것입니다. 그 원인이 무엇인지 알아야만 하는 상황이 된 것이죠."

 

허블관측은 '초신성, 허블상수, 암흑에너지상태방정식(the Supernova H0 for the Equation of State, 이하 SH0ES)팀'에 의해 수행되었다. 

이들은 우주를 보다 제대로 이해하기 위해 허블상수의 정확성을 향상시키는 작업을 해왔다.

 

리스의 연구팀은 우주 사다리의 구축단계를 보다 능률화하고 강화함으로써 측정치의 개선을 이룩해냈다.
천문학자들은 이를 위해 지구로부터 여러 거리로 떨어져 있는 은하까지의 거리를 최대한 정확하게 측정하고 있다.

 

연구팀은 이렇게 측정된 거리를 후퇴하는 은하들로부터 발생한 빛의 강도를 측정함으로써 도출해낸 우주의 팽창과 비교하였다.
그리고 이 두 개의 값을 이용하여 허블상수를 계산하였다.

 

상대적으로 가까운 거리에서 우주의 거리 지표자로써 가장 높은 신뢰도를 가지고 있는 것은 세페이드 변광성으로서 이들은 절대밝기와 연관된 빛의 변화주기를 보여주는 별들이다.
따라서 깜빡이 별들의 거리는 고유밝기와 지구에서 봤을 때 눈에 보이는 겉보기 밝기의 비교를 통해 계산해낼 수 있다.

 

과학자들은 연주시차라 부르는 기하학적 도구를 이용하여 이러한 계산 결과를 좀더 상세하게 다듬는다.

한편 허블 WFC3의 고해상도 촬영능력을 이용하여 연주시차의 측정이 가능한 거리를 좀더 연장시킴으로써 멀리 떨어진 세폐이드 변광성까지 측정 가능할 수 있게 되었다.

 

근거리 은하까지의 거리를 정확하게 계산하기 위해 연구팀은 세페이드 변광성과 또 하나의 신뢰성 높은 거리 측정자인 Ia 유형의 초신성을 모두 가지고 있는 은하를 찾아나섰다.
Ia 유형의 초신성의 경우 동일한 밝기의 섬광을 뿜어내며 그 빛은 상대적으로 먼 거리에서도 충분히 관측이 가능할만큼 밝다.

 

 

Credit: NASA, ESA, and A. Riess (STScI/JHU)

 

사진 1> 이 사진은 허블상수라 불리는, 우주가 얼마나 빠르게 팽창하는지를 나타내는 값을 보다 정교하게 만들기 위해 관측된 은하 중 하나를 보여주고 있다.

UGC 9391이라는 이름의 이 은하는 세페이드 변광성과 Ia유형의 초신성을 모두 가지고 있어 그 거리가 정확하게 측정된 은하이다.
이처럼 멀리 떨어진 은하까지의 거리는 허블상수를 결정하는데 핵심이 되는 요소이다.

사진에 빨간색 원들은 세페이드 변광성이 발견된 지점이다.

세페이드 변광성은 고유 밝기와 대응되는 빛의 변화율을 가지고 있는 별들이다.
이 값은 지구에서 관측되는 겉보기 밝기와 비교될 수 있고, 이로부터 정확한 거리가 도출된다.

하단 우측에 보이는 파란색 X 표시는 초신성 2003du의 위치를 표시한 것이다.
이 초신성은 Ia라는 특별한 유형의 초신성이다.

Ia 유형의 초신성은 우주적 거리 지표로 사용되는 또다른 유형의 천체이다.

이들은 동일한 밝기의 빛을 뿜어내며 그 빛은 상대적으로 훨씬 더 먼거리에서도 관측이 가능할만큼 충분히 밝다.

천문학자들은 UGC 9391과 같이 하나의 은하에 같이 존재하는 초신성과 세페이드 변광성들의 측정치를 보다 정교하게 다듬었다.
그 결과 아주 멀리 떨어진 곳에서 폭발하는 별의 거리를 보다 정확하게 측정할 수 있게 되었다. 

UGC 9391은 지구로부터 1억 3천만 광년 거리에 자리잡고 있다.

이 합성 사진은 2012년부터 2013년까지 허블 우주망원경의 WFC3에 의해 촬영된 것이다.

 

리스의 연구팀은 이러한 특징을 가지고 있는 19개 은하에서 총 2,400 개의 세페이드 변광성을 측정하였다.
이는 미리내 바깥의 은하에 대해 시도된 세페이드 변광성의 측정으로는 가장 대규모로 수행된 연구이다.

 

지근거리의 은하들에서 두 가지 유형의 별들에 대해 관측된 밝기를 비교함으로써 과학자들은 고유 밝기를 보다 정교하게 측정할 수 있었으며 이를 근거로 멀리 떨어진 은하들에 있는 대략 300개의 Ia 유형 초신성에 대한 거리를 계산할 수 있었다.

 
이 거리 사다리의 세페이드 가로대를 구축하는데는 허블 우주망원경에 장착된 카메라인 WFC3 하나만이 사용되었다.
이를 통해 과학자들은 서로 다른 망원경을 이용한 측정치의 비교를 통해서는 거의 피해갈 수 없었던 시스템적인 에러를 제거해나갔다.

 

하나의 장비를 이용한 허블 상수의 측정은 짧은 자 하나를 가지고 여러 번 복도의 길이를 재는 대신에 충분히 긴 자 하나로 복도의 길이를 재는 것과 같다.

짧은 자 하나를 가지고 여러번 이어재는 방법을 회피함으로써 누적적으로 발생할 수 있는 오차를 줄일 수 있게 된 것이다.

 

SH0ES 팀은 여전히 허블 상수의 불확실성을 더 확실히 제거하기 위해 허블우주망원경을 사용하고 있다.
이들이 도달하고자 하는 목표치는 오차 범위 1퍼센트 이내로 접어드는 것이다.

 

ESA의 가이아 위성이나 제임스웹 우주망원경, 적외선 탐사위성 및 광대역적외선우주망원경(the Wide Field Infrared Space Telescope, WFIRST) 같은 차세대 위성들은 우주의 팽창율에 대한 보다 향상된 측정치를 도출할 수 있는 데 도움을 줄 것이다.

 

1990년 허블우주망원경이 발사되기 전까지 허블상수는 두 가지 요소에 의해 그 변이가 측정되었다.

1990년대 후반에 진행된 외계은하의 거리 측정은 허블우주망원경의 핵심 프로젝트였으며 이를 통해 10퍼센트 이내의 오차 범위에서 허블상수의 정확성을 향상시킬 수 있었다.
이는 허블우주망원경의 핵심적인 목표 중 하나를 달성한 사례이다.

 

SH0ES 연구팀은 2005년 연구를 시작한 이래 허블상수의 불확정성을 76퍼센트나 감소시켰왔다.

 

출처 : 허블사이트 2016년 6월 2일 발표 뉴스
         http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2016/17/

 

관련뉴스 : 허블상수 값의 차이는 우연이 아니다.(유럽우주국 2019년 4월 25일 보도자료)

관련뉴스 : 제임스웹 우주망원경 검증결과에 대한 애덤 리스 기고문 (2023년 9월 12일)

 

참고 : 우주의 팽창율 측정을 비롯한 우주론에 관한 각종 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
           https://big-crunch.tistory.com/12346979 

참고 : UGC 9391를 비롯한 각종 은하에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.  
       - 은하 일반 :  https://big-crunch.tistory.com/12346976
       - 은하단 및 은하그룹 :  https://big-crunch.tistory.com/12346978
       - 은하 충돌 :  https://big-crunch.tistory.com/12346977

 

 

원문>

News Release Number: STScI-2016-17

NASA's Hubble Finds Universe Is Expanding Faster Than Expected

Astronomers using NASA's Hubble Space Telescope have discovered that the universe is expanding 5 percent to 9 percent faster than expected.

"This surprising finding may be an important clue to understanding those mysterious parts of the universe that make up 95 percent of everything and don't emit light, such as dark energy, dark matter, and dark radiation," said study leader and Nobel Laureate Adam Riess of the Space Telescope Science Institute and The Johns Hopkins University, both in Baltimore, Maryland.

The results will appear in an upcoming issue of The Astrophysical Journal.

There are a few possible explanations for the universe's excessive speed. one possibility is that dark energy, already known to be accelerating the universe, may be shoving galaxies away from each other with even greater — or growing — strength.

Another idea is that the cosmos contained a new subatomic particle in its early history that traveled close to the speed of light. Such speedy particles are collectively referred to as "dark radiation" and include previously known particles like neutrinos. More energy from additional dark radiation could be throwing off the best efforts to predict today's expansion rate from its post-big bang trajectory.

The boost in acceleration could also mean that dark matter possesses some weird, unknown characteristics. Dark matter is the backbone of the universe upon which galaxies built themselves up into the large-scale structures seen today.

And finally, the speedier universe may be telling astronomers that Einstein's theory of gravity is incomplete.

Riess' team made the discovery by refining the universe's current expansion rate to unprecedented accuracy, reducing the uncertainty to only 2.4 percent. The team made the refinements by developing innovative techniques that improved the precision of distance measurements to faraway galaxies.

These measurements are fundamental to making more precise calculations of how fast the universe expands with time, a value called the Hubble constant. The improved Hubble constant value is 73.2 kilometers per second per megaparsec. (A megaparsec equals 3.26 million light-years.) The new value means the distance between cosmic objects will double in another 9.8 billion years.

This refined calibration presents a puzzle, however, because it does not quite match the expansion rate predicted for the universe from its trajectory seen shortly after the big bang. Measurements of the afterglow from the big bang by NASA's Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) and the European Space Agency's Planck satellite mission yield predictions for the Hubble constant that are 5 percent and 9 percent smaller, respectively.

"We know so little about the dark parts of the universe, it's important to measure how they push and pull on space over cosmic history," said Lucas Macri of Texas A&M University in College Station, a key collaborator on the study.

Added Riess: "If we know the initial amounts of stuff in the universe, such as dark energy and dark matter, and we have the physics correct, then you can go from a measurement at the time shortly after the big bang and use that understanding to predict how fast the universe should be expanding today. However, if this discrepancy holds up, it appears we may not have the right understanding, and it changes how big the Hubble constant should be today."

Comparing the universe's expansion rate with WMAP, Planck, and the Hubble Space Telescope is like building a bridge, Riess explained. on the distant shore are the cosmic microwave background observations of the early universe. on the nearby shore are the measurements made by Riess' team using Hubble.

"You start at two ends, and you expect to meet in the middle if all of your drawings are right and your measurements are right," Riess said. "But now the ends are not quite meeting in the middle and we want to know why."

The Hubble observations were conducted by the Supernova H0 for the Equation of State (SH0ES) team, which works to refine the accuracy of the Hubble constant to a precision that allows for a better understanding of the universe's behavior.

Riess' team made the improvements by streamlining and strengthening the construction of the cosmic distance ladder, which astronomers use to measure accurate distances to galaxies near and far from Earth. The team compared those distances with the expansion of space as measured by the stretching of light from receding galaxies. They used these two values to calculate the Hubble constant.

Among the most reliable of these cosmic yardsticks for relatively shorter distances are Cepheid variables, pulsating stars that dim and fade at rates that correspond to their true brightness. Their distances, therefore, can be inferred by comparing their true brightness with their apparent brightness as seen from Earth.

The researchers calibrated this stellar yardstick using a basic tool of geometry called parallax, the same technique that surveyors use to measure distances on Earth. With Hubble's sharp-eyed Wide Field Camera 3 (WFC3), they extended the parallax measurements farther than previously possible, across the Milky Way galaxy, to reach distant Cepheids.

To calculate accurate distances to nearby galaxies, the team looked for galaxies containing both Cepheid stars and another reliable yardstick, Type Ia supernovae, exploding stars that flare with the same brightness and are brilliant enough to be seen from relatively longer distances. So far, Riess' team has measured about 2,400 Cepheid stars in 19 of these galaxies, representing the largest sample of such measurements outside the Milky Way. By comparing the observed brightness of both types of stars in those nearby galaxies, the astronomers could then accurately measure their true brightness and therefore calculate distances to roughly 300 Type Ia supernovae in far-flung galaxies.

Using one instrument, WFC3, to bridge the Cepheid rungs in the distance ladder, the researchers eliminated the systematic errors that are almost unavoidably introduced by comparing measurements from different telescopes. Measuring the Hubble constant with a single instrument is like measuring a hallway with a long tape measure instead of a single 12-inch ruler. By avoiding the need to pick up the ruler and lay it back down over and over again, you can prevent cumulative errors.

The SH0ES Team is still using Hubble to reduce the uncertainty in the Hubble constant even more, with a goal to reach an accuracy of 1 percent. Current telescopes such as the European Space Agency's Gaia satellite, and future telescopes such as the James Webb Space Telescope (JWST), an infrared observatory, and the Wide Field Infrared Space Telescope (WFIRST), also could help astronomers make better measurements of the expansion rate.

Before Hubble was launched in 1990, the estimates of the Hubble constant varied by a factor of two. In the late 1990s the Hubble Space Telescope Key Project on the Extragalactic Distance Scale refined the value of the Hubble constant to within an error of only 10 percent, accomplishing one of the telescope's key goals. The SH0ES team has reduced the uncertainty in the Hubble constant value by 76 percent since beginning its quest in 2005.

CONTACT

Donna Weaver / Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland
410-338-4493 / 410-338-4514
dweaver@stsci.edu / villard@stsci.edu

Adam Riess
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland
410-516-4474
ariess@stsci.edu