우주는 아직 가속 팽창 중일까? 연세대와 사우샘프턴대가 맞붙은 초신성 논쟁

우주가 지금도 점점 더 빠르게 팽창하고 있는지는 현대 우주론의 핵심 질문이다. 최근 논쟁의 중심에는 Ia형 초신성과 이를 ‘표준 촛불’로 활용하는 거리 측정법이 있다.

쟁점은 초신성 자체가 완전히 같은 밝기로 폭발하는지, 아니면 초신성을 만든 별과 주변 항성 집단의 나이에 따라 밝기가 체계적으로 달라지는지다. 연세대 연구팀은 나이 효과를 제대로 보정하면 우주의 가속 팽창 신호가 사라질 수 있다고 주장했다. 반면 사우샘프턴대 연구팀은 그 효과가 과대평가됐으며 우주는 여전히 가속 팽창하고 있다고 반박했다. 이 논쟁은 아직 결론나지 않았다. 813

연세대의 2025년 주장: 초신성의 ‘나이 편향’이 가속 팽창을 착시로 만들었나

Ia형 초신성은 폭발할 때의 고유 밝기가 비교적 일정하다는 점 때문에 우주 거리 측정에 사용된다. 천문학자들은 초신성이 실제로 얼마나 어둡게 보이는지를 계산해 지구에서의 거리를 추정하고, 적색편이와 결합해 우주가 과거부터 현재까지 어떻게 팽창해왔는지 알아낸다.

하지만 초신성의 고유 밝기가 주변 별들의 나이에 따라 달라진다면 문제가 생긴다. 먼 과거의 은하와 가까운 현재의 은하는 별의 나이와 구성에서 서로 다를 수 있기 때문이다. 이 차이를 무시하면 초신성이 실제보다 밝거나 어둡게 보이는 이유를 우주의 팽창 변화로 잘못 해석할 가능성이 있다.

연세대 연구팀은 2025년 11월 발표한 연구에서, 표준화 과정을 거친 Ia형 초신성의 밝기와 초신성이 속한 은하의 항성 인구 나이 사이에 강한 상관관계가 있다고 주장했다. 또한 적색편이가 커질수록 은하와 전구체 별의 평균 나이가 달라지기 때문에 초신성으로 계산한 거리에 체계적인 편향이 생긴다고 분석했다. 나이 편향을 보정한 결과, 현재 우주가 가속 팽창하고 있다는 설득력 있는 증거를 찾지 못했으며, 우주가 최근 감속 팽창 단계에 들어섰을 가능성을 제시했다.

이 결론이 확인된다면 표준 우주론 모형인 ΛCDM에도 큰 변화가 필요하다. ΛCDM에서 우주의 후기 가속 팽창은 우주상수 Λ로 표현되는 가장 단순한 형태의 암흑에너지와 연결돼 있다. 현재 우주가 감속 팽창으로 전환됐다면 암흑에너지가 시간에 따라 약해지거나 변해야 하며, 초신성 자료의 해석 방식이나 중력 이론 자체를 다시 검토해야 할 수도 있다.

사우샘프턴대의 반박: 은하의 나이와 폭발한 별의 나이는 다르다

2026년 6월, 노벨물리학상 수상자인 애덤 리스와 브라이언 슈밋이 참여한 사우샘프턴대 주도 연구팀은 연세대 분석에 두 가지 핵심 문제가 있다고 반박했다. 18

1. 모은하의 평균 나이가 전구체 별의 나이를 뜻하지는 않는다

연세대 분석은 초신성이 속한 모은하의 항성 인구 나이를 실제 폭발을 일으킨 별 또는 백색왜성 전구체의 나이를 추정하는 지표로 활용했다. 그러나 하나의 은하에는 수십억 년의 차이가 나는 다양한 세대의 별이 함께 존재한다.

따라서 은하 전체 또는 항성 인구의 평균 나이가 특정 초신성 전구체의 나이와 같다고 볼 수는 없다는 것이 사우샘프턴대의 주장이다. 이 해석이 맞다면 적색편이에 따른 은하 나이의 변화가 곧바로 초신성 전구체 나이의 변화로 이어지지는 않는다. 18

2. 은하 질량 보정인 ‘매스 스텝’을 빠뜨렸다는 지적

사우샘프턴대는 연세대 분석이 현대 초신성 분석에서 일반적으로 사용하는 모은하 질량 보정, 이른바 ‘매스 스텝(mass step)’을 적용하지 않았다고 지적했다.

초신성의 밝기는 은하의 질량과도 연관돼 있으며, 은하의 질량은 별의 나이와 먼지, 항성 환경 같은 다른 특성과도 연결돼 있다. 따라서 질량 보정을 적용하면 겉보기에는 나이 효과처럼 보이는 밝기 차이의 상당 부분이 줄어들 수 있다는 설명이다.

사우샘프턴대가 같은 자료에 이 보정을 적용한 결과, 초신성의 표준화 후 밝기와 모은하 나이 사이의 관계는 훨씬 약해졌다. 연구팀은 나이 보정만으로 우주의 가속 팽창 신호를 없애기에는 효과가 너무 작으며, 우주는 기존 해석처럼 여전히 가속 팽창하고 있다고 결론 내렸다.

연세대의 재반박: 너무 넓은 적색편이 범위가 관계를 평평하게 만들었다

연세대 연구팀은 사우샘프턴대의 반박이 문제를 해결하지 못했다고 맞섰다. 특히 사우샘프턴대가 적색편이 약 z = 0.04에서 z = 0.42에 이르는 초신성을 지나치게 넓은 범위에서 한꺼번에 분석했다고 지적했다.

이 범위에서는 모은하의 평균 나이가 약 30억 년이나 변한다. 연세대는 나이가 크게 다른 초신성들을 먼저 한데 묶은 뒤 회귀분석을 수행하면, 실제보다 나이와 밝기의 관계가 완만하게 보일 수 있다고 주장한다. 다시 말해, 분석 과정 자체가 나이 편향의 기울기를 인위적으로 낮췄다는 것이다. 2

연세대는 또 사우샘프턴대가 서로 연결된 두 요소를 지나치게 독립적으로 취급했다고 주장했다.

• 초신성의 나이와 밝기 사이의 관계가 얼마나 가파른지
• 적색편이에 따라 초신성 전구체의 나이가 얼마나 변하는지

연세대의 설명에 따르면 전구체 나이의 변화가 은하 평균 나이의 변화보다 작더라도, 나이와 밝기 사이의 기울기가 더 크다면 전체 보정 효과는 여전히 상당할 수 있다. 또한 사우샘프턴대가 사용한 질량·먼지 보정 방식이 나이 신호를 지나치게 억눌렀을 가능성도 제기했다. 35

핵심은 ‘가속 대 감속’보다 측정 보정 방식이다

두 연구팀의 대립은 단순히 우주가 가속 팽창하는지 감속 팽창하는지를 놓고 벌어진 논쟁이 아니다. 더 근본적인 질문은 초신성 자료에 포함된 항성 인구와 환경 차이를 얼마나 정확하게 보정했느냐에 있다.

사우샘프턴대의 입장은 다음과 같다.

• 은하의 평균 나이를 특정 초신성 전구체의 나이로 직접 간주할 수 없다.
• 은하 질량 보정이 기존의 나이 의존성 상당 부분을 이미 흡수한다.
• 남은 나이 효과는 우주의 가속 팽창이라는 표준 해석을 뒤집을 만큼 크지 않다.

반대로 연세대는 다음과 같이 주장한다.

• 은하의 나이는 전구체의 나이를 직접 측정한 값은 아니지만 항성 인구와 관련된 유효한 대리 지표가 될 수 있다.
• 너무 넓은 적색편이 범위에서 자료를 합치면 나이와 밝기의 기울기가 과소평가된다.
• 전구체 나이의 진화가 은하 평균 나이의 진화보다 작더라도, 더 가파른 나이·밝기 관계가 이를 보완해 큰 보정 효과를 남길 수 있다. 2

따라서 더 크고 균질한 표본을 독립적으로 분석하기 전까지 어느 한쪽이 기존 우주론을 결정적으로 무너뜨렸다고 보기는 어렵다.

DESI 관측은 암흑에너지가 변할 가능성을 보여주나

암흑에너지 논쟁에서 또 하나 중요한 자료가 미국 에너지부 산하 로런스 버클리 국립연구소가 운영하는 DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument) 관측이다. DESI는 은하 분포에 남아 있는 바리온 음향 진동(BAO)을 이용해 초신성과는 다른 방식으로 우주의 거리와 적색편이 관계를 측정한다.

DESI 자료를 우주배경복사(CMB) 및 초신성 자료와 결합한 일부 분석은 암흑에너지가 시간에 따라 변하는 모형을 ΛCDM보다 선호했다. DESI BAO와 CMB를 결합한 한 분석에서는 시간에 따라 변하는 암흑에너지 모형이 ΛCDM보다 3.1시그마 수준에서 선호됐고, 초신성 표본을 추가하면 통계적 선호도는 표본에 따라 달라졌다.

그러나 이것이 우주가 현재 감속 팽창 중이라는 독립적인 증거는 아니다. BAO는 우주의 거리와 팽창 이력을 제한하지만, 이를 ‘시간에 따라 변하는 암흑에너지’로 해석하는 과정은 선택한 모형과 결합 데이터에 의존한다. 최근 분석들 역시 동적 암흑에너지에 대한 선호를 약하거나 결정적이지 않은 수준으로 평가했으며, 일부 연구는 ΛCDM보다 통계적으로 유의미한 우위를 찾지 못했다. 17

논쟁을 가를 관측은 무엇일까

가장 명확한 검증 방법 중 하나는 서로 다른 적색편이에 있으면서도 항성 나이가 최대한 비슷한 은하에서 폭발한 초신성들을 비교하는 것이다. 이렇게 하면 특정 나이 보정을 크게 가정하지 않고도 초신성의 실제 밝기 변화를 시험할 수 있다.

앞으로 다음과 같은 자료도 중요하다.

• 선택 기준이 균일한 대규모 초신성 표본
• 초신성 모은하에 대한 정밀 분광 관측
• 전체 항성 인구의 나이와 실제 전구체 별의 나이를 구분하는 방법
• 은하 질량, 먼지, 주변 환경의 효과에 대한 독립적인 검증
• 베라 C. 루빈 천문대와 NASA 낸시 그레이스 로먼 우주망원경의 새로운 관측

이런 자료가 쌓이면 초신성의 진짜 광도 진화와 적색편이에 따른 선택 효과, 질량, 먼지, 항성 인구 효과를 분리하는 데 도움이 될 수 있다.

현재까지의 결론

현재 과학계의 가장 신중한 결론은 우주의 가속 팽창이 여전히 표준적인 해석이라는 것이다. 다만 Ia형 초신성을 우주 거리의 기준으로 사용할 때 별의 나이와 은하 환경을 얼마나 정확히 보정해야 하는지는 여전히 활발한 연구 주제다.

사우샘프턴대는 연세대의 나이 보정이 지나치게 크다고 본다. 연세대는 사우샘프턴대가 지나치게 넓은 적색편이 범위를 사용해 나이·밝기 기울기를 과소평가했고, 전구체 나이의 변화와 나이·밝기 기울기 사이의 수학적 연관성도 충분히 반영하지 않았다고 반박한다. 18

DESI 자료는 암흑에너지가 완전히 일정하지 않을 가능성을 열어두고 있다. 그러나 이는 우주가 이미 가속 팽창에서 감속 팽창으로 전환했다는 뜻은 아니다. 최종 판단은 더 정밀하고 독립적인 초신성 관측과 여러 우주론 관측을 함께 비교한 뒤에야 가능할 전망이다.