퀘이사가 밝혀주는 롤러코스터 같은 암흑에너지

 

 

 

 

 

      

퀘이사가 밝혀주는 롤러코스터 같은 암흑에너지 우주와 시간 / 과학 2012/11/16 09:21 http://blog.naver.com/hansyoo/120173482608 전용뷰어 보기 퀘이사가 밝혀주는 롤러코스터 같은 암흑에너지 By Jonathan Amos, 13 November 2012 Last updated at 08:29 GMT, BBC 아파치 포인트 천문대(APO)의 슬로안(Sloan) 망원경에서 BOSS(중입자 진동 스펙트럼 관측) 데이터를 수집한다. 아파치 포인트 천문대는 미국 뉴멕시코 주립대학에서 운영 중이며, 뉴멕시코 선스팟(Sunspot)에 있다.      과학자들이 암흑에너지의 특성을 약 100억 년 전으로 거슬러 올라가 검출하는 새로운 기술을 사용했다. 그들은 우주를 가속 팽창케 하는 것으로 보이는 '이상한' 힘을 설명하는데 한 발짝 다가서기를 원하고 있다. 이 방법은 퀘이사(준항성)라 알려진 밝지만 멀리 떨어져 있는 천체를 이용하여 우주 공간에 퍼져있는 수소 가스 구름 지도를 제작하는 것이다. * 준항성이라면 그 이름에서 별을 연상하겠지만, 그러나 결코 별이 아니다. 은하계라고 하는 쪽이 가깝다. 우주 끝 부분에서 별 같은 천체가 강력한 빛을 방출되는 것으로 보아서 우리 은하계처럼 그 중앙에는 블랙홀이 있는 것으로 유추하는데, 혹은 두 개의 은하계가 충돌하면서 그 중앙의 블랙홀이 합쳐진 더욱 강력한 블랙홀로도 유추한다.    이 수소 가스 구름의 3차원 분포는 암흑에너지의 시간에 따른 영향을 추적하는데 이용될 수 있다. 이 접근 방식을 설명하는 학술 논문은 저널(Astronomy & Astrophysics)에 제출되었고, 예고(豫稿)는 온라인으로 볼 수 있다. * "Baryon Acoustic Oscillations in the Ly-α forest of BOSS quasars", http://arxiv.org/abs/1211.2616    이 논문은 BOSS 연구팀이 작성한 것으로, 그들은 미국 뉴멕시코 슬로안(Alfred P. Sloan) 재단(www.sloan.org)의 직경 2.5미터 슬로안 망원경을 사용하여 천체를 관측하고 있다. * BOSS는 "중입자 진동 스펙트럼 관측"(Baryon Oscillation Spectroscopic Survey)이란 의미이다. 중입자(바리온)는 쿼크 3개로 이루어진 양성자나 중성자 같은 것을 말한다. BOSS는 우주 팽창 속도를 측정하기 위해 설계되었다. 붉은 빛을 내는 은하계(LRGs, Luminous Red Galaxies)와 퀘이사(準恒星)를 중입자 음향 진동에 의해서 관측하여 초기 우주 지도를 제작하는 것이다. 이 음파는 연못에서 물결이 퍼져나가듯이 초기 우주에서 퍼져나가 은하계들 각각에 상대적인 특유의 척도를 우주 공간에 각인시켜 놓았다.    국제적인 연구팀의 새로운 데이터는 이론에 아주 잘 들어맞는다고 하는데, 즉, 암흑에너지가 초기 우주에서 지배적인 역할을 하지 않았다는 아이디어를 확인해 준다. 초기 우주에서는 중력이 지배했는데, 따라서 빅뱅 이후 우주 팽창 속도는 감속되고 있었다. 암흑에너지가 힘을 발휘한 것은 그 다음이었다.     BOSS 연구팀 멤버인 메튜 피에리(Matthew Pieri) 박사에 따르면, 암흑에너지에 대해서 아는 것은 거의 없지만, 그러나 암흑에너지는 우주 공간 자체의 특성이라는 아이디어가 있으며, 따라서 공간이 확장될수록 에너지가 커진다고 한다.     따라서 암흑에너지는 시간이 지남에 따라서 증가하는 어떤 것이라야 한다. 우주가 팽창되면서 공간이 더 확장되고 따라서 에너지도 커지는 것이며, 그러다가 어떤 시점에서는 중력보다 커지면서 우주 팽창 속도는 감속 상태에서 가속 상태로 바뀐 것이다.     우주 공간의 모든 것이 점점 더 빠른 속도로 멀어지는 것을 발견한 것은 20세기 천체물리학의 주요 돌파구였다. 과학자들은 이 이상한 현상을 설명할 수 있는 새로운 물리학을 찾기 위해서 열심이었다. 따라서 뭔가 실마리를 잡으려는 다양한 기술이 동원되고 있는데, 이른바 중입자 음향 진동은 그 중의 하나다. 이것은 빅뱅 이후 우주 공간으로 퍼져나가는 압력파인데, 일단 충분히 냉각되면서 우주 공간의 물질 분포 속으로 각인되었다. 오늘날 이 진동은 자체적으로 은하계 분포를 설명하는데 "선호되는 척도"(preferred scale)가 된다. 5억 광년 정도 간격의 은하계 분포를 설명하는데 편리하다는 뜻이다. 이 관측 결과는 우주 공간의 기하학을 측정하는 표준 척도(尺)로 사용될 수 있다. 퀘이사 백라이트(back-light). BOSS 연구팀은 4만 8천개의 퀘이사를 백라이트처럼 사용하여 초기 우주의 수소 가스 구름 분포 지도를 제작한다.   BOSS 연구팀은 지구로부터 60억 광년에 걸쳐 퍼져있는 막대한 볼륨의 은하계를 이용하여 이미 그 작업을 완료한 바 있다. 그러나 그보다 더 먼 거리, 즉, 우주 시간으로 더 먼 시간에 해당하는 이들 표준 은하계들은 슬로안 망원경으로 보기에는 너무 희미하다. 따라서 BOSS 연구팀은 은하계 대신 퀘이사(항성간 전파원이다.)를 사용하여 우주지도 제작에 이용하고 있다.    퀘이사는 멀리 튕겨나간 은하계로 중심부의 거대한 블랙홀이 막대한 양의 전자파를 방출한다. 이것을 슬로안 망원경이 잡아내는 것이다. ********************************** 암흑에너지와 암흑물질 미스터리 -. 중력만으로는 천문학자들이 관측한 우주를 설명할 방법이 없었다. -. 예를 들어 은하계는 뿔뿔이 흩어져야 한다. 안 그러려면 뭔가 다른 질량이 이들을 단단히 붙잡고 있어야만 한다. -. 따라서 천문학자들은 암흑물질이라는 것을 생각해냈다. 보이지는 않지만 은하계 규모에서 명확히 제 역할(중력)을 하고 있는 것이다. -. 그러나 한편 저 멀리 우주는 가속팽창하고 있다. -. 그렇다면 가속 팽창의 원인이 되는 암흑에너지가 있어서, 중력과 반대의 힘을 가져야 한다. -. 현재의 이론으로는 우주의 73%는 암흑에너지이고, 23%는 암흑물질이며, 단 4%만이 우리가 알고 있는 물질이다. (BBC Universe: Dark matter, Dark energy) ********************************** 퀘이사에서 방출되는 빛은 지구에 도달하면서 우주 공간의 수소 가스 구름을 거쳐 오게 된다. 이때 빛의 일부는 독특한 방법으로 흡수되는데, 흡수 패턴이 망원경에 관측되는 라인(관측선) 상에서 거리에 따른 가스 밀도 변화를 드러낸다.    거의 5만 개의 근접한 퀘이사들을 관측하여, BOSS 연구팀은 110억 광년 떨어진 곳에서 도착하는 수소 가스 구름 분포 정보를 상세한 3차원 지도로 제작할 수 있다. 이는 빅뱅이 발생한 이후 20억 광년 정도까지 거슬러 올라가는 것이다.    망원경에 도달하는 각 관측선(line of sight)은 수백 개의 수소 구름을 거쳐 왔을 수 있으며, 따라서 4만8천개의 퀘이사 '백라이트'는 수백만 개의 수소 구름을 알려주는 것이라고 포츠머스 대학의 밥 니콜(Bob Nichol) 교수는 말한다.    이로부터 3차원으로 위치를 파악하고 수소 구름이 어떻게 뭉쳐 있는가를 조사하며, 해당 클러스터(뭉치)에 "선호되는 척도"가 있는가를 확인한다. 그런데 과연 있었다. 인접한 은하계들 클러스터에 있는 것처럼 선호되는 척도가 나타난다.    BOSS 지도는 과학자들로 하여금 서로 다른 우주적 연대기의 확장 속도를 체크할 수 있도록 한다. 즉, 중력과 암흑에너지가 이론에서 예측한대로인지를 알아낼 수 있도록 돕는 것이다. 피에리 박사는 자신들이 기본적으로 확인하고 있는 것은 롤러코스터 비슷한 것이라고 말한다. 빅뱅으로부터 우주팽창은 감속되고 있었는데, 약 70억 년 전 절정에 달하면서 마치 누군가 페달 위에 발을 올려놓은 것처럼, 그때부터는 가속이 시작된 것 같다고 한다. BOSS는 아직까지 연구 예정의 3분의 1을 완료했다. 목표는 수년 이내에 150만개의 은하와 16만개 이상의 퀘이사에 대한 지도를 작성하는 것이다. ********************************** -. 우주가 가속팽창한다는 발견으로 노벨상이 수여되었지만, 그러나 예전에는 중력의 영향으로 빅뱅 이후 우주 팽창 속도가 줄어들 것이라고 가정하였다. -. 이제 과학자들은 우주팽창의 속도가 줄어들기는커녕 가속되고 있다고 말한다. 은하계를 점점 더 빠르게 밀쳐내고 있는 것이다. -. BOSS 연구팀은 100억년 이상의 우주 역사에 걸쳐 우주팽창에 기여한 암흑에너지를 추적했다. **********************************   세계지도처럼 이 천구지도의 제작 관점은 물론 천구 밖이다. 즉, 지구에 있는 우리는 광활한 우주를 관측하면서 우주 공간에 임의의 천구를 설정한 다음 관측한 데이터를 가상의 천구면 바깥에서 표현하는 것이다. 그런데 천구지도를 이해하려면 "몰바이데 투영법"(Mollweide projection)에 대해서 알아야 한다. 제작자의 관점은 정중앙에 있다. 그는 우선 자신이 바라보는 천구의 반을 둥근 원으로 그린다. 그리고는 보이지 않는 반대편의 반구를 둥근 원 좌우에 나누어 붙인다. 결과적으로 천구 지도는 타원이 된 것이다. 몰바이데 투영법에는 장단점이 있다. 우선 고위도로 갈수록 정확하고 작아진다. 북반구 중심의 세계지도가 몰바이데 도법으로 작성된 까닭이다.   [출처] 퀘이사가 밝혀주는 롤러코스터 같은 암흑에너지|작성자 HANS