우주 팽창 '가속-감속' 놓고 연세대-노벨상 수상자 "반박→재반박"

'우주 가속 팽창론'을 둘러싼 국내 연구진과 노벨상 수상자 사이 논쟁이 천문우주학계 이슈로 부상했다. 이영욱 연세대학교 천문우주학과·은하진화연구센터 교수 연구팀은 '암흑에너지에 의해 우주가 가속 팽창하고 있다'는 기존 이론을 재차 옹호한 영국 사우샘프턴대학교 교수 연구팀의 반박 논문에서 주요 분석상의 오류 2개를 확인했다고 27일 발표했다. 오류를 담은 연구결과는 천문학 분야 3대 국제 학술지인 MNRAS(영국 왕립천문학회지)에 실렸다. 논쟁의 발단은 지난해 11월 이영욱 교수팀이 Ia형(수소선이 없고, 규소 흡수선이 특징인 열핵폭발형 초신성) 초신성의 나이에 따른 계통적 편향을 고려할 경우 우주가 기존에 생각했던 것과 달리 더 이상 가속 팽창하지 않는다는 연구 결과를 발표했다. 당시 연구팀에 따르면 우주의 팽창은 이미 감속 단계에 들어섰으며, 암흑에너지도 일정한 우주상수가 아니라 시간에 따라 변화하며 약해지는 성질을 보인다. 이에 대해 지난 6월 노벨상 수상자인 아담 리스 교수와 브라이언 슈미트 교수가 참여한 사우샘프턴대 연구팀이 발끈하고 나섰다. 연대 연구 결과에 이의를 제기하는 반박 논문을 발표한 것. 이들 2명의 교수는 지난 2011년 '먼 초신성 관측을 통한 우주 가속 팽창 발견'으로 노벨 물리학상을 수상했다. 이들은 초신성 광도와 나이 사이 관계가 연세대 연구팀이 보고한 것보다 완만하며, 적색편이에 따른 초신성 나이 변화 역시 모은하(Host Galaxy) 나이 변화보다 작을 수 있다고 주장했다. 이를 바탕으로 사우샘프턴대 연구팀은 필요한 나이 편향 보정이 크지 않으며 우주는 여전히 가속 팽창하고 있다고 결론지었다. 그러나 이를 발표한지 2개월만에 연세대 연구팀이 다시 재반박에 나섰더. 사우샘프턴대 연구결과에 오류 2개가 있다는 연구결과를 다시 발표한 것. 첫 번째 오류는 이들이, 넓은 적색편이 구간에 걸친 초신성들을 하나의 표본으로 결합했다는 점을 꼽았다. 연세대 연구팀은 "이러한 방법을 사용할 경우 측정되는 나이 편향 기울기가 점차 완만해지는 것으로 나타났다"며 "표본에 높은 적색편이의 초신성을 추가할수록 측정되는 기울기가 체계적으로 완만해졌으며, 실제 관측 조건을 재현한 모의 표본에서도 같은 경향이 확인됐다"고 말했다. '나이 편향 기울기', 즉 Ia형 초신성의 표준화된 광도와 나이 사이의 관계를 측정하는 방법과 관련, 이 관계를 측정하기 위해서는 충분히 좁은 적색편이 구간 안에서 초신성들을 비교해야 한다는 것. 그렇지 않으면 적색편이에 따른 초신성의 진화 효과가 측정하고자 하는 나이-광도 상관관계와 함께 나타날 수 있다고 지적했다. 논문 제1저자인 정철 연구교수는 “반박 논문에서 보고한 완만한 나이 편향 기울기는 분석 방법에서 비롯된 결과”라며 “적절한 적색편이 구간으로 비교 대상을 제한하면 강한 나이 의존성이 다시 나타난다”고 말했다. 연구팀은 이 논문에서 "반박 논문이 사용한 먼지 소광 모형은 모은하 질량에 따른 소광비 변화 가장이 대규모 은하 표본에서 관측된 경향과 일치하지 않는다"고 지적하며 "이에 따라 해당 모형을 뒷받침할 관측적 근거가 충분하지 않다"고 설명했다. 두 번째 오류는 나이 편향 보정값을 계산하는 방법과 관련, 반박 논문이 줄어든 나이 변화량에 초점을 맞추면서 이에 따른 나이 편향 기울기의 변화를 함께 고려하지 않았다고 설명했다. 두 효과를 함께 고려하면 나이 편향 보정값과 이에 따른 우주론적 결론은 기존 연구 결과와 큰 차이가 없다는 것이다. 정철 연구교수는 전화통화에서 "천문학계에서 별 거리 측정을 초신성 밝기로 한다. 그런데 그동안은 초신성이 멀리 떨어져 있어 어둡다고 생각했다" "이건 거리가 멀어서가 아니라, 초신성 나이가 젊기 때문이다. 이미 우리가 관측하는 빛은 과거의 빛이기 때문"이라고 설명했다. 정 연구교수는 또 "이를 바탕으로 분석해본 결과, 우주가 가속 팽창이 아니라 감속 팽창하고 있다는 결론에 이른 것"이라며 "그러나 사우샘프턴 대학 논문에서는 우주 나이와 관계없이 초신성 나이는 모두 어릴 것이고, 특정 보정을 빠뜨린 것으로 설명했다"고 지적했다. 이영욱 교수는 “초신성 우주론은 광도 표준화 방법인 필립스(Phillips) 관계식이 초신성의 나이에 따라 변하지 않는다는 가정에 기반하고 있다”며 “우리 연구 결과는 이 가정이 성립하지 않을 가능성을 지속적으로 보여주고 있다”고 말했다. 이어 이 교수는 “우주 가속 팽창을 설명하기 위해서는 이 핵심 가정이 관측적으로 타당한지 먼저 검토할 필요가 있다”며 “현재까지의 관측 결과를 바탕으로 우주의 가속 팽창과 우주상수 형태의 암흑에너지에 대한 해석을 다시 검토할 필요가 있다”고 덧붙였다. 한편 연구팀은 나이 편향을 보정한 초신성 결과가 BAO(중입자 음향 진동) 단독 측정 결과와 일치한다는 점도 강조했다. 두 관측 결과는 암흑에너지가 시간에 따라 약해지고 있으며 현재 우주가 더 이상 가속 팽창하지 않는다는 해석과 부합한다고 주장했다.