일리노이 및 시카고 물리학자, 우주 팽창 측정을 위한 새로운 방법 개발

미국 - 이크바리 뉴스 통신사

일리노이 및 시카고 물리학자, 우주 팽창 측정을 위한 새로운 방법 개발

약 한 세기 동안 과학계는 우주가 끊임없는 팽창 상태에 있다는 것을 이해해 왔습니다. 이 현상은 선구적인 과학자들의 근본적인 업적을 증명하며, 이제 널리 허블 상수 또는 허블-르메트르 상수로 알려져 있습니다. 현재 우주론 연구는 주로 두 가지 뚜렷한 방법론을 사용하여 이 팽창 속도를 정량화합니다. 바로 우주 마이크로파 배경(CMB)과 우주 거리 사다리입니다.

CMB 방법은 빅뱅의 잔존 복사의 적색편이 측정을 활용합니다. 반대로, 우주 거리 사다리는 종종 "표준 촛불"로 불리는 변광성 및 초신성과 같은 천체로부터 얻은 시차 및 적색편이 측정에 의존합니다. 그러나 지속적인 문제가 발생했습니다. 이 두 가지 주요 방법이 상반된 결과를 내놓고 있으며, 이 불일치는 이제 "허블 텐션"(Hubble Tension)으로 알려져 있습니다. 이 차이는 오늘날 우주론자들이 직면한 가장 중요하고 수수께끼 같은 우주 문제 중 하나를 나타냅니다.

다행히도, 새롭게 등장하는 연구들은 이 긴장을 해결하고 우주론의 표준 모델을 강화할 유망한 길을 제공합니다. 중요한 최근 연구에서, 일리노이 대학교와 시카고 대학교의 천체물리학자, 우주론자, 물리학자로 구성된 다학제 팀은 혁신적인 새로운 방법을 제안했습니다. 이 기술은 중력파(GWs)로 알려진 시공간의 미묘한 물결을 활용하여 우주 팽창에 대한 우리의 이해를 정제합니다.

이 연구는 일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스의 중력 및 우주 연구소(IGC) 소속 NSF 대학원 연구 펠로우인 브라이스 커즌스(Bryce Cousins)가 주도했습니다. 그는 IGC의 수많은 동료들과 시카고 대학교의 카블리 우주물리학 연구소 및 엔리코 페르미 연구소의 연구원들과 긴밀히 협력했습니다. "확률적 사이렌: 허블 상수에 대한 천체물리학적 중력파 배경 측정"(Stochastic Siren: Astrophysical gravitational-wave background measurements of the Hubble constant)이라는 제목의 이 기념비적인 연구는 1월 16일 명망 높은 Physical Review Letters 저널에 게재되었습니다.

허블 텐션을 해결하기 위해 노력하는 과학자들은 다양한 이론적 해결책을 탐구해 왔습니다. 이들은 초기 암흑 에너지(EDE)와 암흑 물질(DM) 및 중성미자 간의 상호작용을 포함하는 가설부터, 진화하는 암흑 에너지 역학에 대한 복잡한 모델에 이르기까지 다양합니다. 최근 몇 년 동안, 중력파의 검출은 우주 팽창을 측정하는 독립적인 수단을 제공함으로써 허블 텐션 문제를 해결하는 강력한 도구로 부상했습니다.

알버트 아인슈타인의 일반 상대성 이론으로 처음 예측된 중력파는 본질적으로 시공간 구조의 왜곡입니다. 이는 중성자별과 블랙홀과 같은 거대 질량 물체의 병합과 같은 격변적인 우주 사건에 의해 생성됩니다. 이러한 파동의 첫 번째 직접적인 확인은 2016년 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)를 운영하는 과학자들에 의해 이루어졌습니다. 계측기의 상당한 발전과 강력한 국제 협력을 통해 LIGO-Virgo-KAGRA(LVK) 네트워크는 성공적으로 300건 이상의 중력파 사건을 감지했습니다.

이러한 감지는 천문학에 새로운 지평을 열었으며, 과학자들이 우주론적 현상을 탐구하고 우주의 팽창 측정을 개선할 수 있게 했습니다. 현재 연구는 이러한 측정을 개선하는 새로운 방법을 식별함으로써 이러한 발전에 기반합니다. 이 팀은 현재 LVK 네트워크가 개별적으로 감지하기에는 너무 약한 천체물리학적 충돌에서 발생하는 지속적인 중력파의 웅웅거림인 "중력파 배경"(GWB)을 활용할 것을 제안합니다.

이 혁신적인 접근법은 "확률적 표준 사이렌" 방법으로 명명되었습니다. 이 이름은 GWB에 기여하는 수많은 천체물리학적 충돌의 확률적, 즉 무작위적 특성에서 유래했습니다. 시카고 대학교의 교수이자 연구 공동 저자인 다니엘 홀츠(Daniel Holz)는 일리노이 대학교 보도 자료에서 이 발전의 중요성을 강조했습니다. "우주론을 위한 완전히 새로운 도구를 발명하는 것은 매일 있는 일이 아닙니다. 우리는 먼 은하의 블랙홀 병합에서 발생하는 중력파 배경의 웅웅거림을 사용하여 우주의 나이와 구성을 알 수 있다는 것을 보여줍니다. 이것은 흥미롭고 완전히 새로운 방향이며, 우리는 허블 상수와 다른 주요 우주론적 양을 제약하는 데 도움이 되도록 미래 데이터 세트에 우리의 방법을 적용하기를 기대합니다."

개념 증명으로서 연구원들은 LVK 협력체의 기존 데이터에 방법론을 적용했습니다. 그들의 분석은 GWB의 현재 감지되지 않음이 느린 우주 팽창 속도를 예측하는 모델에 대해 설득력 있는 증거를 제공한다는 것을 보여주었습니다. 이후, 그들은 확률적 사이렌 방법과 개별 블랙홀 병합 사건에서 파생된 허블 상수 측정을 통합하여 더 정확한 팽창 속도를 달성했습니다.

커즌스는 "우리는 개별 블랙홀 충돌을 관찰하기 때문에, 우주 전체에서 이러한 충돌이 발생하는 속도를 결정할 수 있습니다."라며 "이러한 속도를 바탕으로, 우리는 관찰할 수 없는 훨씬 더 많은 사건이 있을 것으로 예상하며, 이를 중력파 배경이라고 합니다."라고 설명했습니다. 이 통찰은 허블 상수가 낮다면, 이러한 충돌이 발생하는 공간의 부피가 더 작아질 것이며, 이는 더 높은 충돌 밀도와 더 강한 GWB 신호를 의미하며, 잠재적으로 현재 장비의 감지 범위 내에 있을 것임을 시사합니다.

일리노이 우주고등연구소(ICASU)의 설립 이사이자 공동 저자인 니콜라스 유네스(Nicolás Yunes)는 이 독립적인 측정의 중요성을 강조했습니다. "이 결과는 매우 중요합니다. 현재 허블 텐션을 해결하기 위해 허블 상수에 대한 독립적인 측정을 얻는 것이 중요합니다. 우리의 방법은 중력파를 사용하여 허블 상수 추론의 정확도를 향상시키는 혁신적인 방법입니다."

LVK 네트워크의 민감도에 대한 계획된 업그레이드로, 과학자들은 향후 6년 이내에 GWB가 잠재적으로 감지될 것으로 예상합니다. 이것이 실현된다면, 팀의 확률적 사이렌 방법은 허블 상수 측정을 더욱 개선할 것으로 기대됩니다. 그동안 이 방법은 허블 상수의 더 높은 가능한 값을 제약하는 데 사용될 수 있으며, 이를 통해 GWB에 대한 상한선을 설정하고 직접 감지가 가능해지기 전에 예비 연구를 할 수 있습니다.

커즌스는 "우리가 민감도를 계속 높이고, 중력파 배경을 더 잘 제약하며, 어쩌면 그것을 감지하게 됨에 따라, 이것이 미래에 이 방법을 적용할 길을 열어줄 것입니다."라며 "이 정보를 포함함으로써, 우리는 더 나은 우주론적 결과를 얻고 허블 텐션을 해결하는 데 더 가까워질 것으로 기대합니다."라고 말했습니다.

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