2000년대 초, 우주론자들은 가장 크고 가장 복잡한 수수께끼, 즉 우주가 어떻게 작동하는지를 해결한 것처럼 보였습니다.

“갑자기 우주론의 모든 조각이 하나로 합쳐지는 놀라운 순간이 있었습니다.”라고 말했습니다. J. 콜린 힐, 컬럼비아 대학의 이론 우주학자.

은하와 그 더 큰 구조의 지도 작성, 초신성이라고 불리는 재앙적인 항성 폭발 포착, 변광성까지의 거리 계산, 초기 우주에서 남은 우주 빛 측정 등 우주를 연구하는 모든 방법은 "중복되는 것처럼 보이는" 이야기를 들려주었다고 힐은 말했습니다.

이야기를 하나로 묶는 접착제는 몇 년 전인 1998년에 발견되었습니다. 암흑 에너지는 우주를 하나로 묶는 것이 아니라 시간이 지남에 따라 속도가 느려지지 않고 더욱 빠르게 팽창하도록 만드는 신비한 힘입니다. 과학자들이 우주 모델에 이 우주적 무언가를 포함시켰을 때 이론과 관찰이 서로 맞물렸습니다. 그들은 현재 우주론의 표준 모델로 알려진 Lambda-CDM이라는 초안을 작성했습니다. 이 모형에서는 암흑 에너지가 우주의 거의 70%를 구성하고 또 다른 신비한 암흑 실체(정상 물질과만 상호 작용하는 것으로 보이는 보이지 않는 질량 유형)가 포함되어 있습니다. 중력을 통해 — 약 25%를 차지합니다. 나머지 5%는 천문학자들이 수천 년 동안 연구해 온 별, 행성, 은하 등 우리가 볼 수 있는 모든 것입니다.

그러나 그 평온함의 순간은 투쟁의 시간 사이에 잠깐의 휴식일 뿐이었습니다. 천문학자들이 우주 시간의 흐름에 따라 우주를 더욱 정밀하게 관찰함에 따라 표준 모델에 균열이 나타나기 시작했습니다. 문제의 첫 번째 징후 중 일부는 측정에서 나타났습니다. 가변성 과 초신성 가까운 소수의 은하계에서 관찰한 결과, 잔여 우주 빛과 비교할 때 우리 우주는 우리가 생각했던 것과는 다른 규칙에 따라 작동하며 우주가 얼마나 빨리 날아가는지 정의하는 중요한 우주론적 매개 변수는 다음과 같은 경우에 변경됩니다. 다양한 잣대로 측정해 보세요.

우주론자들에게는 문제가 있었습니다. 그들이 긴장이라고 부르는 것, 또는 더 극적인 순간에는 위기.

이러한 불일치 측정은 첫 번째 균열이 나타난 이후 약 10년 동안 더욱 뚜렷해졌습니다. 그리고 이러한 불일치는 우주론의 표준 모델에 대한 유일한 도전은 아닙니다. 은하계 관측은 다음과 같은 방식을 암시합니다. 우주 구조가 뭉쳐져 있다 시간이 지남에 따라 오늘날의 우주가 어떻게 초기 우주에 심어진 씨앗에서 자라났는지에 대한 우리의 최선의 이해와 다를 수 있습니다. 그리고 훨씬 더 미묘한 불일치는 우주의 가장 초기 빛에 대한 상세한 연구에서 비롯됩니다.

다른 불일치도 많습니다. "다른 곳에서는 더 작은 문제가 더 많이 있습니다."라고 말했습니다. 엘레오노라 디 발렌티노, 셰필드 대학의 이론 우주학자. “이것이 수수께끼인 이유입니다. 왜냐면 이런 큰 문제만 있는 게 아니거든요.”

이러한 긴장을 완화하기 위해 우주론자들은 두 가지 보완적인 접근 방식을 취하고 있습니다. 첫째, 그들은 더 나은 데이터가 어떻게 진행해야 하는지에 대한 단서를 밝힐 수 있기를 희망하면서 우주에 대한 보다 정확한 관찰을 계속하고 있습니다. 또한 예상치 못한 결과를 수용하기 위해 표준 모델을 미묘하게 조정하는 방법을 찾고 있습니다. 그러나 이러한 해결책은 고안된 경우가 많으며, 한 가지 문제를 해결하면 다른 문제는 더 악화되는 경우가 많습니다.

힐은 “현재 상황은 매우 혼란스러운 것 같다”고 말했다. “무엇을 어떻게 해야 할지 모르겠어요.”

뒤틀린 빛

우리 우주를 특성화하기 위해 과학자들은 우주론자들이 매개변수라고 부르는 소수의 숫자를 사용합니다. 이러한 값이 참조하는 물리적 개체는 거대한 우주 기계의 모든 기어이며, 각 비트는 다른 비트와 연결되어 있습니다.

이러한 매개변수 중 하나는 질량이 얼마나 강하게 응집되는지와 관련이 있습니다. 이는 암흑에너지의 가속되는 외부 추진이 우주 질량의 중력 끌어당김과 충돌하기 때문에 암흑 에너지가 어떻게 작동하는지에 대해 알려줍니다. 덩어리짐을 정량화하기 위해 과학자들은 다음과 같은 변수를 사용합니다. S₈. 값이 0이면 우주에는 변화도 없고 구조도 없다는 뜻입니다. 스기야마 스나오, 펜실베니아 대학의 관측 우주학자. 그것은 풍경을 깨뜨릴 개미집조차 없는 평평하고 특징 없는 초원과 같습니다. 하지만 만약 S₈ 가 1에 가까우면 우주는 무(無)의 계곡으로 분리된 밀도 높은 물질의 거대한 덩어리로 이루어진 거대하고 들쭉날쭉한 산맥과 같습니다. 구조의 첫 번째 씨앗이 자리 잡은 초기 우주의 플랑크 우주선이 관찰한 결과는 다음과 같습니다. 0.83.

그러나 최근 우주 역사에 대한 관찰은 완전히 일치하지 않습니다.

오늘날 우주의 덩어리진 정도를 초기 우주의 측정치와 비교하기 위해 연구자들은 물질이 넓은 하늘에 어떻게 분포되어 있는지 조사합니다.

눈에 보이는 은하를 설명하는 것이 한 가지입니다. 하지만 은하계가 놓여 있는 보이지 않는 네트워크를 매핑하는 것은 또 다른 일입니다. 이를 위해 우주론자들은 은하계 빛의 작은 왜곡을 관찰합니다. 왜냐하면 빛이 우주를 통과하면서 취하는 경로는 빛이 보이지 않는 물질의 중력에 의해 휘어지기 때문입니다.

연구자들은 이러한 왜곡(약한 중력 렌즈로 알려짐)을 연구함으로써 빛이 이동한 경로를 따라 암흑 물질의 분포를 추적할 수 있습니다. 그들은 또한 은하계의 위치를 ​​추정할 수 있습니다. 천문학자들은 두 가지 정보를 모두 가지고 우주의 눈에 보이는 질량과 보이지 않는 질량에 대한 3D 지도를 만듭니다. 이를 통해 우주 구조의 풍경이 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하고 성장하는지 측정할 수 있습니다.

지난 몇 년 동안 세 번의 약한 렌즈 조사가 하늘의 큰 부분을 매핑했습니다. 칠레의 아타카마 사막에서 망원경을 사용하는 암흑 에너지 조사(DES); 역시 칠레의 Kilo-Degree Survey(KIDS); 가장 최근에는 하와이에서 Subaru Telescope의 HSC(Hyper Suprime-Cam)를 통해 5년간 실시된 조사가 있었습니다.

몇 년 전, DES와 KIDS 설문조사에서 S₈ 플랑크의 값보다 낮은 값은 원시 우주 수프가 설정한 것보다 더 작은 산맥과 더 낮은 봉우리를 의미합니다. 그러나 그것은 우주 구조가 어떻게 성장하고 응집되는지에 대한 우리의 이해에 결함이 있다는 감질나는 힌트일 뿐입니다. 우주론자들은 더 많은 데이터가 필요했고 발표된 Subaru HSC 결과를 간절히 기다리고 있었습니다. 다섯 편의 논문 시리즈로 12월합니다.

Subaru HSC 팀은 하늘의 약 416제곱도, 즉 보름달 2,000개에 해당하는 수천만 개의 은하를 조사했습니다. 하늘 패치에서 팀은 다음을 계산했습니다. S₈ 값 0.78 - 초기 조사의 초기 결과와 일치하며 초기 우주 방사선에 대한 플랑크 망원경 관측에서 측정된 값보다 작습니다. 스바루 팀은 데이터에 XNUMX년 간의 관찰 내용을 추가하기 위해 노력하고 있지만 과학자들이 의존하는 통계적 유의성 수준에 도달하지 않았기 때문에 그들의 측정은 단지 긴장감에 대한 "힌트"일 뿐이라고 조심스럽게 말했습니다.

"이 경우 S₈ 스바루 HSC 분석 중 하나를 주도한 스기야마(Sugiyama)는 “아직 이해하지 못하는 부분이 있다”고 말했다.

우주론자들은 현재 불확실성의 원인을 찾기 위해 관찰의 세부 사항을 검토하고 있습니다. 우선, Subaru 팀은 전체 색상을 기반으로 대부분의 은하계까지의 거리를 추정했는데, 이는 부정확할 수 있습니다. "[평균] 거리 추정치가 잘못되면 관심 있는 우주론적 매개변수 중 일부도 잘못 얻게 될 것입니다."라고 팀원은 말했습니다. 레이첼 만델바움 카네기멜론대학교 출신.

게다가 이러한 측정은 해석이 미묘한 복잡성으로 인해 수행하기 쉽지 않습니다. 그리고 보이지 않는 질량을 식별하는 핵심인 은하의 뒤틀린 모습과 실제 모양 사이의 차이는 종종 매우 작다고 말했습니다. 다이애나 스코그나미글리오 NASA 제트추진연구소 소속. 또한 지구 대기의 흐림은 은하의 모양을 약간 바꿀 수 있는데, 이것이 Scognamiglio가 NASA의 James Webb 우주 망원경을 사용하여 약한 렌즈 분석을 주도하고 있는 이유 중 하나입니다.

더 많은 혼란을 가중시키는 것은 DES 및 KIDS 팀의 과학자들입니다. 최근 측정값을 재분석했습니다. 함께 파생되어 S₈ 플랑크 결과에 더 가까운 값입니다.

그래서 현재로서는 그림이 지저분합니다. 그리고 일부 우주론자들은 아직 다양한 S₈ 측정이 긴장 상태입니다. 힐은 “거기서 심각한 실패가 발생했다는 분명한 징후는 없다고 생각한다”고 말했다. 그러나 그는 "뭔가 흥미로운 일이 일어날 수 있다는 것은 믿기지 않는 일"이라고 덧붙였다.

균열이 뚜렷한 곳

12년 전, 과학자들은 또 다른 우주론적 매개변수를 측정하는 데 문제가 있다는 첫 번째 힌트를 보았습니다. 그러나 대부분의 우주론자들에게 그들이 전면적인 위기에 직면하고 있다는 것을 확신시키기에 충분한 데이터를 축적하는 데는 수년이 걸렸습니다.

간단히 말해서, 오늘날 우주가 얼마나 빨리 팽창하고 있는지에 대한 측정값(허블 상수라고 함)은 초기 우주에서 추정할 때 얻는 값과 일치하지 않습니다. 이 수수께끼는 허블 장력으로 알려졌습니다.

허블 상수를 계산하려면 천문학자들은 사물이 얼마나 멀리 떨어져 있는지 알아야 합니다. 근처 우주에서 과학자들은 주기적으로 밝기가 변하는 세페이드 변광성이라는 별을 사용하여 거리를 측정합니다. 이 별 중 하나가 가장 밝은 별에서 가장 희미한 별까지 얼마나 빨리 흔들리는지와 그것이 방출하는 에너지의 양 사이에는 잘 알려진 관계가 있습니다. 20세기 초에 발견된 이 관계를 통해 천문학자들은 별의 고유 밝기를 계산할 수 있으며, 이를 별의 밝기와 비교하여 거리를 계산할 수 있습니다.

이러한 변광성을 사용하여 과학자들은 우리로부터 최대 약 100억 광년 떨어진 은하까지의 거리를 측정할 수 있습니다. 하지만 조금 더 멀리, 조금 더 과거를 보기 위해 그들은 더 밝은 마일 표시를 사용합니다. 이는 Ia형 초신성이라고 불리는 특정 유형의 항성 폭발입니다. 천문학자들은 또한 이러한 "표준 촛불"의 고유 밝기를 계산할 수 있으며 이를 통해 수십억 광년 떨어진 은하까지의 거리를 측정할 수 있습니다.

지난 73년 동안 이러한 관찰은 천문학자들이 근처 우주가 얼마나 빨리 팽창하고 있는지에 대한 값을 찾는 데 도움이 되었습니다. 대략 메가파섹당 초당 3.26km입니다. 즉, 더 멀리 볼수록 메가파섹당(또는 73만 광년) 팽창한다는 의미입니다. )의 거리에 따라 우주는 초당 XNUMXkm 더 빠르게 날아갑니다.

그러나 그 가치는 유아 우주에 내장된 또 다른 통치자로부터 파생된 가치와 충돌합니다.

맨 처음에 우주는 기본 입자와 에너지의 수프인 뜨거운 플라즈마였습니다. “정말 엉망진창이었어요.” 비비안 풀린-데톨(Vivian Poulin-Détolle), 몽펠리에 대학의 우주학자.

우주 역사의 찰나의 순간, 아마도 인플레이션으로 알려진 극도의 가속 기간이 탁한 플라즈마를 통해 충격(압력파)을 보냈습니다.

그러다가 우주가 냉각되면서 원소 플라즈마 안개에 갇혀 있던 빛이 마침내 깨어졌습니다. 그 빛, 즉 우주 마이크로파 배경(CMB)은 마치 얼어붙은 호수의 표면이 시간이 지나면서 얼어붙은 파도의 꼭대기를 붙잡고 있는 것처럼 초기 압력파를 드러낸다고 Poulin-Détolle은 말했습니다.

우주론자들은 얼어붙은 압력파의 가장 일반적인 파장을 측정하고 이를 사용하여 허블 상수의 값을 계산했습니다. 67.6km / 초 / MPC, 불확실성은 1% 미만이다.

대략 67 대 73이라는 특이하게 불일치하는 값은 아직 해결되지 않은 우주론의 뜨거운 논쟁을 촉발시켰습니다.

천문학자들은 독립적인 우주 마일 표시에 눈을 돌리고 있습니다. 지난 6년 동안, 웬디 프리먼 시카고 대학의 교수(70년 동안 허블상수에 대해 연구해옴)는 일반적으로 은하계 바깥쪽에 사는 일종의 오래된 붉은 별에 초점을 맞추었습니다. 겹치는 밝은 별이 적고 먼지가 적으면 더 명확한 측정이 가능합니다. Freedman과 그녀의 동료들은 이 별들을 사용하여 약 XNUMXkm/s/Mpc의 팽창 속도를 측정했습니다. "이는 실제로 세페이드와 꽤 잘 일치합니다"라고 그녀는 말했습니다. "그러나 그것은 또한 마이크로파 배경과도 꽤 잘 일치합니다."

이제 그녀는 문제에 접근하기 위해 JWST의 강력한 적외선 눈을 사용하게 되었습니다. 그녀는 동료들과 함께 인근 11개 은하계에 있는 거대 붉은 별까지의 거리를 측정하는 동시에 같은 은하계에 있는 세페이드와 맥동하는 탄소별까지의 거리를 측정하고 있습니다. 그들은 올 봄에 결과를 발표할 것으로 예상하고 있지만 이미 "데이터가 정말 훌륭해 보인다"고 그녀는 말했습니다.

우주 모델을 이해하기 위해 노력하고 있는 힐은 “그들이 무엇을 발견했는지 매우 궁금하다”고 말했다. 이러한 새로운 관찰이 우주론이 선호하는 모델의 균열을 넓힐 것인가?

새로운 모델?

관측이 이러한 중요한 우주론적 매개변수를 계속 제한함에 따라 과학자들은 우주가 작동하는 방식에 대한 최상의 모델에 데이터를 맞추려고 노력하고 있습니다. 아마도 더 정확한 측정으로 문제가 해결될 수도 있고, 긴장이 사용되는 도구의 기이함과 같은 일상적인 것의 인공물일 수도 있습니다.

아니면 모델이 잘못되어 새로운 아이디어, 즉 “새로운 물리학”이 필요할 수도 있습니다.

Hill은 "우리는 실제로 모든 것에 맞는 모델을 생각해낼 만큼 영리하지 않았거나 실제로 여러 가지 새로운 물리학이 작용할 수 있습니다"라고 말했습니다.

그들은 무엇입니까? 아마도 새로운 근본적인 역장이나 우리가 아직 이해하지 못하는 암흑 물질 입자 간의 상호 작용, 또는 아직 우주에 대한 설명의 일부가 아닌 새로운 성분이 있을 것이라고 Hill은 말했습니다.

일부 새로운 물리 모델은 암흑 에너지를 조정하여 전자와 양성자가 서로 빛나기 전인 우주 초기 순간에 우주 가속을 급증시킵니다. “어떻게든 팽창률을 높일 수 있다면 초기 우주에서는 아주 잠깐 동안만이라도 증가할 수 있을 것”이라고 말했다. 마크 카미온코프스키, 존스 홉킨스 대학의 우주학자는 "허블 긴장을 해결할 수 있습니다."

Kamionkowski와 그의 대학원생 중 한 명이 2016년에 이 아이디어를 제안했고, XNUMX년 후 그들은 몇 가지 서명을 설명했습니다. 고해상도 우주 마이크로파 배경 망원경이 볼 수 있어야 한다는 것입니다. 그리고 칠레의 한 산에 위치한 아타카마 우주 망원경은 그러한 신호 중 일부를 확인했습니다. 그러나 그 이후로 다른 과학자들은 이 모델이 다음과 같은 사실을 보여주었습니다. 문제를 일으킴 다른 우주 측정과 함께.

추가적인 유형의 암흑 에너지가 잠시 급증했다가 사라지는 미세 조정 모델은 너무 복잡해서 무슨 일이 일어나고 있는지 설명할 수 없다고 말했습니다. 드라간 후터러, 미시간 대학의 이론 우주학자. 그리고 허블 장력에 대해 제안된 다른 해결책은 관측 결과와 훨씬 더 잘 일치하지 않는 경향이 있습니다. 단순한 이론이 복잡한 이론에 비해 승리하는 경향이 있다는 오랜 생각과 보조를 맞추기에는 너무 구체적인 이야기처럼 "절망적으로 조율되어 있다"고 그는 말했습니다.

내년에 나오는 데이터가 도움이 될 수 있습니다. 첫 번째는 인근 팽창률에 대한 다양한 조사를 조사한 Freedman 팀의 결과입니다. 그런 다음 2025월에 연구원들은 현재까지 가장 큰 우주 하늘 조사인 암흑 에너지 분광 장비의 첫 번째 데이터를 공개할 예정입니다. 올해 후반에 아타카마 우주망원경 팀과 남극 망원경을 사용하여 또 다른 원시 배경 지도를 만드는 연구원들은 더 높은 해상도의 마이크로파 배경에 대한 자세한 결과를 발표할 가능성이 높습니다. 더 먼 지평선에 대한 관측은 XNUMX월에 발사된 유럽 우주국의 우주 망원경인 유클리드(Euclid)와 XNUMX년에 완전히 가동될 칠레에 건설 중인 전천 매핑 기계인 베라 C. 루빈 천문대(Vera C. Rubin Observatory)에서 나올 것입니다.

우주의 나이는 13.8억 년이지만 우주와 그 안에서 우리의 위치를 ​​이해하려는 우리의 탐구는 아직 초기 단계입니다. 우주론의 모든 것은 불과 15년 전, 신기루로 판명된 짧은 평온의 기간에 서로 조화를 이루었습니다. XNUMX년 전에 나타난 균열이 활짝 벌어져 우주론이 선호하는 모델에 더 큰 균열이 생겼습니다.

디 발렌티노는 "이제 모든 것이 변했다"고 말했다.

편집자 주: 이 기사에 언급된 여러 과학자는 시몬스 재단, 또한이 편집 독립 잡지에 자금을 지원합니다. Simons Foundation 기금 결정은 우리의 보장에 영향을 미치지 않습니다. 자세한 내용은 여기를 클릭하십시오..