천문학자들, 중력 렌즈 초신성 이용한 우주 팽창 측정 혁신적인 방법 공개

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천문학자들, 중력 렌즈 초신성 이용한 우주 팽창 측정 혁신적인 방법 공개

우주론에 있어 중요한 도약으로, 국제 천문학자 컨소시엄이 우리 우주의 팽창 속도를 정밀하게 측정하는 획기적인 새 방법을 고안했습니다. 이 혁신적인 기술은 중력 렌즈 초광도 초신성이라는 극히 드문 현상을 활용하여, 허블-르메트르 상수(Hubble-Lemaitre Constant)를 결정하고 천체물리학에서 가장 지속적인 미스터리 중 하나인 허블 장력(Hubble Tension)을 해결하기 위한 직접적이고 잠재적으로 더 정확한 경로를 제공합니다.

초광도 초신성은 비정상적인 밝기를 가진 항성 폭발로, 천문학자들에게 수십억 광년 떨어진 거대한 우주 거리를 측정할 수 있게 해주는 중요한 '표준 촛불' 역할을 합니다. 이 천체 신호들은 우주의 광대함을 지도화하는 초석 방법인 우주 거리 사다리(Cosmic Distance Ladder)에 필수적입니다. 그러나 이들의 유용성은 일반적으로 거리를 순차적으로 추론하는 것을 포함하며, 이는 작은 오류가 누적되기 쉬운 과정입니다.

이번 돌파구는 공식적으로 SN 2025wny로 명명되고 'SN 위니(SN Winny)'라는 애칭으로 불리는 초광도 초신성 관측에서 비롯되었습니다. 무려 100억 광년 떨어진 곳에서 발견된 SN 위니는 예외적으로 밝을 뿐만 아니라 전례 없는 특징을 보였습니다. 즉, 그 빛이 두 개의 전경 은하에 의해 휘어지고 확대되어 밤하늘에 같은 폭발의 다섯 개의 개별 이미지를 만들어냈습니다. 우주 불꽃놀이와 유사한 이 장관은 애리조나에 있는 대형 쌍안경 망원경(Large Binocular Telescope, LBT)에 의해 포착되었으며, 여기에는 뮌헨 공과대학교(TUM), 막스 플랑크 천체물리학 연구소(MPG), 하버드-스미소니언 천체물리학 센터(CfA) 등 전 세계 여러 기관의 연구자들이 참여했습니다.

알베르트 아인슈타인이 예측한 현상인 중력 렌즈 효과는 은하나 은하단과 같은 거대한 물체가 시공간을 왜곡하여 더 먼 소스에서 오는 빛의 경로를 휘게 할 때 발생합니다. SN 위니의 경우, 빛은 두 렌즈 은하 주변을 다른 경로로 이동하여 지구에 도달하는 시간이 달라졌습니다. 연구팀은 여러 이미지의 도착 시간 간의 시간 지연을 면밀히 측정함으로써 허블-르메트르 상수, 즉 우주의 정확한 팽창 속도를 직접 계산할 수 있었습니다. 그들의 관측을 설명하는 이 논문은 천문학 및 천체물리학 저널에 게재 승인되었습니다.

TUM의 관측 우주론 부교수이자 막스 플랑크 천체물리학 연구소의 연구원인 셰리 수유(Sherry Suyu) 교수는 이번 발견의 희귀성과 중요성을 강조했습니다. 그녀는 MPG 보도자료에서 “우리는 이 초신성을 SN 위니라고 불렀습니다.”라며, “이는 우주에 대한 우리의 이해를 향상시키는 데 핵심적인 역할을 할 수 있는 극히 드문 사건입니다. 적절한 중력 렌즈와 완벽하게 정렬된 초광도 초신성을 발견할 가능성은 백만 분의 일보다 낮습니다.”라고 말했습니다. 팀은 유망한 중력 렌즈 목록을 작성하는 데 6년을 보냈고, 2025년 8월 SN 위니는 우연히 그중 하나와 일치했습니다.

SN 위니를 특히 가치 있게 만드는 것은 렌즈 시스템의 상대적인 단순성입니다. 복잡한 은하단에 의해 확대되었던 대부분의 이전 렌즈 초신성과 달리, SN 위니는 단 두 개의 개별 은하에 의해 렌즈화되었습니다. TUM의 주니어 연구원 알란 슈바인푸르트(Allan Schweinfurth)는 “우리는 이 은하들에 대해 전반적으로 매끄럽고 규칙적인 빛과 질량 분포를 발견했으며, 이는 겉보기에 가까움에도 불구하고 과거에 아직 충돌하지 않았음을 시사합니다. 시스템의 전반적인 단순성은 우주의 팽창 속도를 높은 정확도로 측정할 흥미로운 기회를 제공합니다.”라고 설명했습니다. 이러한 단순성 덕분에 주니어 연구원 알란 슈바인푸르트와 레온 에커(LMU)는 다섯 개의 이미지 모두의 위치를 사용하여 렌즈 질량 분포의 첫 번째 모델을 구축할 수 있었습니다.

이 새로운 방법론은 우주의 팽창 속도 측정이 사용된 방법에 따라 크게 달라지는 오랜 우주론적 난제인 허블 장력(Hubble Tension)을 해결하는 유망한 길을 제공합니다. 전통적으로 과학자들은 두 가지 주요 접근 방식에 의존합니다. 하나는 가까운 물체에서 먼 초신성까지 단계별로 거리를 구축하는 지역 우주 거리 사다리(Cosmic Distance Ladder)이고, 다른 하나는 초기 우주의 잔여 복사에서 팽창 속도를 외삽하는 우주 마이크로파 배경(Cosmic Microwave Background, CMB) 측정입니다. 두 방법 모두 자체 프레임워크 내에서 매우 정확하지만, 허블-르메트르 상수에 대해 다른 값을 산출하여 우주 진화에 대한 우리의 근본적인 이해에 도전하는 지속적인 불일치를 초래합니다.

렌즈 초신성 기술은 우주 거리 사다리에 내재된 누적 오류와 CMB 측정의 모델 의존적 가정을 우회하는 '원스텝' 대안을 제시합니다. 수유 교수 팀의 주요 구성원이자 연구의 제1 저자인 스테판 타우벤베르거(Stefan Taubenberger)는 이 장점을 강조했습니다. “우주 거리 사다리와 달리, 이것은 체계적 불확실성의 원천이 더 적고 완전히 다른 원스텝 방법입니다.” 렌즈 은하의 질량 분포를 직접 계산함으로써 과학자들은 높은 독립성으로 허블-르메트르 상수를 도출할 수 있습니다.

전 세계 천문학자들은 현재 지상 및 우주 기반 망원경을 사용하여 SN 위니를 집중적으로 관측하고 있으며, 더 많은 데이터를 수집하고 이러한 측정을 정제하기를 열망하고 있습니다. 이 특별한 사건과 그것이 가능하게 하는 새로운 방법론에서 얻은 통찰력은 서로 다른 팽창 속도를 조정하는 데 필요한 결정적인 증거를 제공하여 궁극적으로 우리 우주의 과거, 현재, 미래에 대한 더 완전하고 일관된 그림으로 이어질 수 있습니다.

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