2,884개 초신성이 던진 질문: 암흑에너지는 시간에 따라 변할까

암흑에너지는 현대 표준 우주론에서 보통 시간이 지나도 변하지 않는 양, 즉 우주상수로 다뤄진다. 그러나 퀸즐랜드대 연구진이 구축한 2,884개의 Ia형 초신성 후보 통합 목록은 이 가정이 유일한 설명이 아닐 수 있다는 새로운 단서를 내놓았다. 연구진은 암흑에너지가 우주 시간에 따라 변할 가능성을 뒷받침하는 증거가 더 늘었다고 설명했다.2

다만 이것이 우주상수 모형의 붕괴를 뜻하지는 않는다. 현재 단계에서 가장 정확한 표현은 흥미로운 신호이지만, 독립적인 검증이 더 필요한 결과라는 것이다.

초신성 목록은 무엇을 측정했나

Ia형 초신성은 우주 팽창의 역사를 추적하는 데 쓰이는 중요한 거리 지표다. 관측된 밝기와 적색편이(빛이 더 긴 파장 쪽으로 이동한 정도)를 함께 비교하면, 서로 다른 시대의 우주가 얼마나 빠르게 팽창했는지를 추정할 수 있다.

연구팀은 약 30년 동안 쌓인 천문 관측을 하나의 자료로 묶고, 과거 초신성 자료를 현대 분석 기법으로 다시 처리했다. 여기에 2024년 다크에너지서베이(DES)의 자료도 포함됐다.2

이 작업의 핵심은 단순히 표본 수가 많다는 데 있지 않다. 서로 다른 관측 프로그램에서 얻은 결과를 가능한 한 같은 기준으로 비교하려 했다는 점이 중요하다. 초신성의 겉보기 밝기에는 우주 먼지, 초신성이 속한 은하의 특성, 중력렌즈 효과 등이 영향을 줄 수 있다. 이런 요인은 거리 추정과 그에 따른 우주론 해석을 미세하게 바꿀 수 있다.

‘암흑에너지는 일정하다’는 가정에 어떤 의미인가

퀸즐랜드대 발표에 따르면, 통합 표본은 암흑에너지가 고정돼 있기보다 시간에 따라 달라질 수 있다는 해석에 더 많은 근거를 제공한다.2

연구진은 새 통합 분석에서 나타난 표준 모형과의 차이가 2024년 DES 자료에서 처음 보였던 신호와 완전히 같은 방향은 아니라고도 밝혔다.2 이 점은 결과를 신중하게 받아들여야 하는 이유다.

• 암흑에너지가 변한다는 확정 증거는 아니다.
• 큰 초신성 표본 하나만으로 결론을 내릴 수는 없다.
• 보정과 모형화에 따른 계통오차가 여전히 중요하다. 작은 차이도 우주론적 결론에는 큰 영향을 줄 수 있기 때문이다.

즉 이번 결과는 ‘암흑에너지는 반드시 일정해야 한다’는 생각의 독점적 지위를 약화시키지만, 우주상수 모형을 배제하지는 않는다.

DESI의 단서와는 어떻게 다른가

암흑에너지분광장비(DESI)는 초신성과 다른 방식으로 우주 팽창을 조사한다. 초신성이 거리 측정에 주로 쓰인다면, DESI는 은하의 대규모 분포와 초기 우주에서 남은 음향 진동의 흔적을 활용한다.

퀸즐랜드대는 DESI 역시 초기 우주의 ‘잔존 음향파’를 조사해 암흑에너지 변화의 단서를 찾았다고 설명했다.2 서로 다른 관측 방법이 같은 질문, 즉 시간에 따라 변하는 암흑에너지 모형이 일정한 우주상수보다 데이터를 더 잘 설명하는가를 향하고 있다는 점이 중요하다.

서로 독립적인 측정법들이 같은 결론에 수렴한다면 신뢰도는 훨씬 높아진다. 하지만 현재로서는 두 결과 모두 추가 확인이 필요한 징후로 보는 것이 타당하다.

암흑에너지가 변한다면 왜 중요한가

암흑에너지가 실제로 시간에 따라 변한다면, 우주의 가속 팽창을 설명하는 우주상수는 완전한 해답이 아닐 수 있다. 그 경우 새로운 동적 장, 중력 이론의 수정 등 새로운 물리학의 가능성이 열릴 수 있다.

이는 이론물리학의 오래된 난제와도 연결된다. 관측되는 암흑에너지의 효과는 양자장론에서 단순하게 추정하는 진공 에너지와 비교하면 매우 작다. 동적인 설명은 이 불일치를 이해할 새로운 실마리를 줄 수 있다. 다만 암흑에너지가 변한다는 사실만으로 일반상대성이론과 양자역학이 자동으로 통합되는 것은 아니다.

다음 검증의 관건은 ‘일관성’

다음 단계는 더 큰 규모이면서 더 정밀하게 보정된 초신성 표본으로 같은 검사를 반복하는 일이다. 특히 거리 사다리의 기준점이 되는 비교적 가까운 우주 영역의 초신성 자료가 중요하다.

DEBASS 같은 미래 초신성 관측은 이 낮은 적색편이 영역의 기준을 개선하고 보정 불확실성을 줄이는 데 도움을 줄 수 있다. 대형 전파천문 시설도 변화하는 하늘과 우주 구조를 다른 파장에서 관측해 보완 자료를 제공할 수 있다.

결국 결정적인 시험은 하나다. 서로 다른 관측 장비와 분석 방법, 독립적인 자료가 같은 시간 변화를 가리키는가. 그 조건이 충족될 때, 진화하는 암흑에너지는 흥미로운 가능성에서 우주론을 본격적으로 다시 쓰게 할 가설로 올라설 수 있다.