허블상수 값의 차이는 단순한 우연이 아니다. (최신관측기반 vs 우주배경복사기반)

 

Credit:NASA, ESA. Acknowledgement: Josh Lake

사진 1> 대마젤란 은하 내의 LHA 120-N11
지구로부터 약 20만 광년 거리에 있는 대마젤란은하는 우리은하인 미리내 주위를 천천히 활보하고 있다.
대마젤란은하의 가스 구름은 미리내의 중력에 영향받아 붕괴를 계속하며 새로운 별을 만들어내고 있다.
이 사진은 별 탄생으로부터 발생하는 다채로운 빛을 허블우주망원경으로 촬영한 것이다.


허블우주망원경이 수집한 데이터로 측정한 우주의 팽창률은 우주가 130억년 전 빅뱅이후 짧은 순간 어떻게 탄생했는가에 근거를 둔 우주의 팽창률 예측치와 맞지 않는다.
천문학자들은 허블우주망원경의 새로운 관측 데이터를 통해 이러한 불일치가 우연일 가능성이 낮다는 점을 규명하고 있다. 

천문학자들은 주위 은하들까지의 정확한 거리를 계산하는데 기반이 되는 주 거리 척도, 이른바 '우주의 거리 사다리'를 허블우주망원경의 관측 데이터를 이용하여 개선시켜왔다.

이 작업은 우리은하의 위성은하인 대마젤란 은하에 있는 세페이드변광성을 관측함으로써 시작되었다. 
세페이드변광성을 이용한 거리 측정 결과 현재 대마젤란 은하까지의 거리는 16만 2천 광년이다. 

더 멀리 떨어진 은하까지의 거리를 측정할 때 세페이드변광성은 거리기준석으로 활용된다.

천문학자들은 이러한 거리 측정값들을 이른바 허블상수라고 불리는, 우주가 얼마나 빠른 속도로 팽창하고 있는지 여부를 결정하는 상수값을 계산하는데 사용한다.

1990년대 후반, 외계은하까지의 거리범위에 대한 핵심 프로젝트는 허블상수값을 10% 오차범위내로 정교화함으로써 허블우주망원경의 목표 하나를 이룰 수 있었다.

이후 허블상수는 점점더 정교화되었고 불확실성 범위는 2.4퍼센트까지 감소되었지만 2016년, 천문학자들은 허블우주망원경의 관측 자료를 통해 우주가 이전에 예측했던 것보다 5~9퍼센트 정도 더 빨리 팽창하고 있다는 사실을 발견했다.

2017년에 수행된 독립적인 연구도 이러한 결과를 지지하고 있었다.

이러한 최신 연구에 따라 허블상수의 불확실성 범위는 1.9퍼센트까지 줄어들었다.

과학자들은 이러한 결과에 따라 오늘날의 우주팽창 측정치와 초기우주의 팽창에 근거한 예측치간의 차이가 단순이 우연일 가능성은 작년에 예측된 3,000분의 1 수준에서 현저한 개선을 거쳐 10만 분의 1까지 줄어들었다고 주장하기도 한다. 

이번 연구의 수석 연구원이자 노벨상 수상자인 우주망원경 연구소 및 존스홉킨스 대학의 애덤 리스(Adam Riess)의 설명은 다음과 같다. 
"초기 우주와 최신 우주간에 나타나는 허블상수값의 차이는 지난 10년간 우주론에서 가장 흥미롭게 다뤄진 주제입니다. 
이 불일치 값은 계속 증가해왔고 이러한 불일치가 결코 우연일수는 없다는 결론에까지 도달했습니다."

연구팀의 측정치가 더더욱 정교해짐에 따라 허블상수 값은 유럽우주국의 플랑크 위성에 의해 수행된 초기 우주의 팽창률에 대한 관측결과로부터 파생된 예측값과 여전히 불일치 상태로 남아 있게 되었다. 

우주배경복사로 알려져 있는 빅뱅이후 잔광에 대한 측정치는 과학자들로 하여금 초기 우주가 어떻게 팽창해왔는지를 예측할 수 있게 해 준다.

최근 수행된 허블상수 측정치는 1메가파섹당 초속 74.03킬로미터이다.[1]
이 숫자가 의미하는 것은 우주가 플랑크 위성의 관측 자료를 대입한 초기 우주의 관측치보다 9퍼센트 더 빠르게 팽창하고 있음을 말해주고 있다. 
플랑크 위성의 관측 데이터를 기반으로 계산한 허블상수는 1메가파섹당 67.4킬로미터이다.

이러한 결론에 도달하기까지 리스와 그의 연구팀은 대마젤란은하 내에 존재하는 70개의 세페이드변광성을 분석했다.
세페이드변광성은 일정한 비율로 밝아졌다가 어두워졌다를 반복한다. 
이러한 주기는 이들의 광도에 대한 정보를 주며 이로부터 거리를 측정할 수 있기 때문에 천문학자들은은 세페이드변광성을 우주의 거리지표로 활용하고 있다.

리스의 연구팀은 이른바 표류와 편이(Drift And Shift, DASH)라 불리는 효과적인 관측 기법을 활용하여 허블우주망원경으로 밝은 별들을 말 그대로 겨냥하자마자 재빠르게 찍어내고 있다.
이러한 기법을 활용하면 특정 별을 관측하고 추적하기 위해 망원경을 고정하는데 따른 시간 낭비를 줄일 수 있다.
이렇게 축적된 데이터는 아라우카리아 프로젝트(Araucaria Project)에 의해 관측된 데이터와 접합되고 있다. 

아라우카리아 프로젝트란 유럽과 칠레, 미국의 천문학자들이 함께 진행하는 협력 프로젝트로서 대마젤란은하의 이중별계에서 하나의 별이 다른 짝꿍별의 전면을 지나갈 때 별빛이 희미해지는 양상을 관측함으로써 거리를 측정하고 있는 프로젝트이다.

우주론 모델에 따르면 우주의 팽창에 따른 관측값은 우주배경복사에서 결정된 값과 동일해야 하기 때문에 이러한 편차를 설명하기 위해서는 새로운 역학모델이 등장해야 할지 모른다.

리스의 설명은 다음과 같다. 
"예전에는 이러한 현상에 대해 많은 이론물리학자들이 '이건 불가능해요. 이러한 결과라면 모든 이론은 뒤집힐 수밖에 없습니다.'라고 말해왔답니다.
그런데 지금은 분위기가 반전했죠. 이론물리학자들은 '그럴 수도 있겠구나'라고 생각하고 있어요."

이러한 편차를 설명하기 위해 많은 가설들이 제안되고 있지만 결정적인 해답은 아직 도출되지 않았다.
암흑물질이라 불리는 눈에 보이지 않는 물질이 천문학자들의 예측치보다 훨씬 더 강력하게 일반물질과 상호작용하고 있는 것일지도 모른다.
아니면 우주 전반에 걸쳐 존재하는, 그 정체를 전혀 알 수 없는 암흑에너지가 우주의 가속 팽창에 관여하고 있는 것일지도 모른다.

애덤 리스 역시 이 곤란한 불일치 양상에 대한 해답은 가지고 있지 않다. 
리스와 그의 연구팀은 허블우주망원경을 이용하여 허블상수의 측정치가 가지고 있는 불확실성을 줄이려는 노력을 계속하고 있다.
이들의 목표는 불확실성을 1% 이내까지 줄이는 것이다.

 

연구팀의 연구결과는 천체물리학 저널에 개재되었다.

 

Credit:Robert Gendler/ESO

사진 2> 이 사진은 대마젤란은하 전체를 담은 사진으로 이 은하에서 가장 밝은 천체들의 등재명이 기록되어 있다.
사진의 폭은 약 10도이다.

 

각주 

[1] 이 값은 우주의 팽창으로 인해 매 330만 광년 당 우주가 우리에게서 멀어지는 속도가 초속 74킬로미터씩 더 증가한다는 것을 의미한다.

   

출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2019년 4월 25일 Science Release

        https://www.spacetelescope.org/news/heic1908/

 

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

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

     

 

원문>

heic1908 — Science Release

Latest Hubble Measurements Suggest Disparity in Hubble Constant Calculations is not a Fluke

25 April 2019

Hubble’s measurements of today’s expansion rate do not match the rate that was expected based on how the Universe appeared shortly after the Big Bang over 13 billion years ago. Using new data from the NASA/ESA Hubble Space Telescope, astronomers have significantly lowered the possibility that this discrepancy is a fluke.

Using new observations from the NASA/ESA Hubble Space Telescope, researchers have improved the foundations of the cosmic distance ladder, which is used to calculate accurate distances to nearby galaxies. This was done by observing pulsating stars called Cepheid variables in a neighbouring satellite galaxy known as the Large Magellanic Cloud, now calculated to be 162,000 light-years away. When defining the distances to galaxies that are further and further away, these Cepheid variables are used as milepost markers. Researchers use these measurements to determine how fast the Universe is expanding over time, a value known as the Hubble constant.

Before Hubble was launched in 1990, 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 10 percent, accomplishing one of the telescope’s key goals. In 2016, astronomers using Hubble discovered that the Universe is expanding between five and nine percent faster than previously calculated by refining the measurement of the Hubble constant and further reducing the uncertainty to only 2.4 percent. In 2017, an independent measurement supported these results. This latest research has reduced the uncertainty in their Hubble constant value to an unprecedented 1.9 percent.

This research also suggests that the likelihood that this discrepancy between measurements of today’s expansion rate of the Universe and the expected value based on the early Universe’s expansion is a fluke is just 1 in 100,000, a significant improvement from a previous estimate last year of 1 in 3,000.

“The Hubble tension between the early and late Universe may be the most exciting development in cosmology in decades,” said lead researcher and Nobel Laureate Adam Riess of the Space Telescope Science Institute (STScI) and Johns Hopkins University, in Baltimore, USA. “This mismatch has been growing and has now reached a point that is really impossible to dismiss as a fluke. This disparity could not plausibly occur by chance.”

As the team’s measurements have become more precise, their calculation of the Hubble constant has remained inconsistent with the expected value derived from observations of the early Universe’s expansion made by the European Space Agency’s Planck satellite. These measurements map a remnant afterglow from the Big Bang known as the Cosmic Microwave Background, which help scientists to predict how the early Universe would likely have evolved into the expansion rate astronomers can measure today.

The new estimate of the Hubble constant is 74.03 kilometres per second per megaparsec [1]. The number indicates that the Universe is expanding at a rate about 9 percent faster than that implied by Planck’s observations of the early Universe, which give a value for the Hubble constant of 67.4 kilometres per second per megaparsec.

To reach this conclusion, Riess and his team analysed the light from 70 Cepheid variables in the Large Magellanic Cloud. Because these stars brighten and dim at predictable rates, and the periods of these variations give us their luminosity and hence distance, astronomers use them as cosmic mileposts. Riess’s team used an efficient observing technique called Drift And Shift (DASH) using Hubble as a “point-and-shoot” camera to snap quick images of the bright stars. This avoids the more time-consuming step of anchoring the telescope with guide stars to observe each star. The results were combined with observations made by the Araucaria Project, a collaboration between astronomers from institutions in Europe, Chile, and the United States, to measure the distance to the Large Magellanic Cloud by observing the dimming of light as one star passes in front of its partner in a binary-star system.

Because cosmological models suggest that observed values of the expansion of the Universe should be the same as those determined from the Cosmic Microwave Background, new physics may be needed to explain the disparity. “Previously, theorists would say to me, ‘it can’t be. It’s going to break everything.’ Now they are saying, ‘we actually could do this,’” Riess said.

Various scenarios have been proposed to explain the discrepancy, but there is yet to be a conclusive answer. An invisible form of matter called dark matter may interact more strongly with normal matter than astronomers previously thought. Or perhaps dark energy, an unknown form of energy that pervades space, is responsible for accelerating the expansion of the Universe.

Although Riess does not have an answer to this perplexing disparity, he and his team intend to continue using Hubble to reduce the uncertainty in their measure of the Hubble constant, which they hope to decrease to 1 percent.

The team’s results have been accepted for publication in The Astrophysical Journal.

Notes

[1] This means that for every 3.3 million light-years further away a galaxy is from us, it appears to be moving about 74 kilometres per second faster, as a result of the expansion of the Universe.

More information

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between ESA and NASA.

The team of astronomers in this study consists of Adam G. Riess (Johns Hopkins University, USA; STScI, USA), Stefano Casertano (STScI, USA), Wenlong Yuan (Johns Hopkins University, USA), Lucas M. Macri (Texas A&M University, USA), Dan Scolnic (Duke University, USA)

Links

• Images of Hubble
• Hubblesite release
• Johns Hopkins University release

Contacts

Adam Riess
Space Telescope Science Institute
Baltimore, USA
Tel: +1 410 338 6707
Email: ariess@stsci.edu

Bethany Downer
ESA/Hubble, Public Information Officer
Garching, Germany
Email: bethany.downer@partner.eso.org