제임스 웹, 허블 상수 오차 줄였다···우주 팽창률 논쟁 해소 가능성

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• 제임스 웹으로 허블 상수 측정 정확도 크게 향상
• 우주 팽창 속도 계산 방식 간 수치 차이 대부분 해소
• 표준 우주 모델(ΛCDM) 유지 가능성 높아져

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우주는 시간이 지날수록 팽창하고 있다. 그런데 그 속도를 어떻게 측정하느냐에 따라 결과가 달랐다. 이 ‘허블 상수(Hubble constant)’는 우주의 현재 크기와 미래 운명을 예측하는 핵심 지표지만, 지난 10여 년간 두 가지 측정 방식이 서로 다른 값을 제시해왔다.

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첫 번째 방식은 우주의 과거, 즉 빅뱅 직후 방출된 ‘우주 마이크로파 배경복사(CMB)’를 분석해 이론적 모델을 통해 속도를 계산하는 것이다. 두 번째 방식은 현재 우리 주변 은하의 거리와 이동 속도를 직접 측정해 팽창 속도를 계산하는 방법이다.

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놀랍게도, 과거를 보는 첫 번째 방식이 오차가 적은 반면, 현재를 측정하는 두 번째 방식은 거리 측정이 어렵고 불확실성이 크다. 그 결과 허블 상수는 약 67에서 73km/s/Mpc 사이로 나뉘며 논란이 이어져 왔다.

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제임스 웹 망원경, 고정밀 관측이 결정적 역할

이 문제를 해결하기 위해 시카고대학 웬디 프리드먼 교수 연구팀은 제임스 웹 우주망원경(JWST)의 고정밀 데이터를 활용했다. 웹 망원경은 허블보다 해상도가 4배, 감도가 10배 높아 어두운 별이나 먼지에 가려진 천체도 정확히 관측할 수 있다.

 

이 기술 덕분에 기존에 흐릿한 별무리로만 보였던 영역에서 개별 별 하나하나를 분리해 관측할 수 있었다. 특히 적외선 관측을 통해 은하 내 먼지층을 통과해 별의 실제 밝기를 정확히 파악할 수 있게 됐다.

 

 

 

제임스 웹 우주망원경.

 

 

거리 측정 기법과 보정 기술의 개선

프리드먼 교수팀은 초신성 외에도 적색거성과 탄소별 등 일정한 물리적 특성을 가진 별을 활용해 거리를 재는 다양한 방법을 병행해왔다. 그러나 이들 관측값은 단순 비교만으로는 정확하지 않다.

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빛을 가리는 우주 먼지, 별의 밝기가 시간에 따라 달라지는 현상, 그리고 망원경 자체의 측정 오차 등 여러 요소를 보정해야 최종적으로 정확한 거리를 계산할 수 있다.

이번 연구에서는 이런 오차 요소들을 정밀하게 교정했으며, 특히 웹 망원경으로 기존보다 2배 많은 은하 샘플을 확보하면서 통계적 신뢰도도 크게 높아졌다.

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허블 상수 오차, 사실상 해소 수준으로 축소

새로 계산된 허블 상수는 70.4km/s/Mpc(±3%)였다. 이는 CMB 방식으로 도출된 67.4km/s/Mpc(±0.7%)와 통계적으로 겹치는 범위 안에 들어간다. 두 측정 방식의 차이는 사실상 사라진 셈이다.

그동안 제기돼온 ‘우주론 위기’는 관측 기술의 한계에서 비롯된 통계적 오차 가능성이 크다는 결론에 가까워지고 있다.

 

 

 

과학자들이 제임스 웹 우주망원경으로 관측한 은하 NGC 1365를 포함한 여러 은하 데이터를 활용해 우주 팽창 속도를 새롭게 계산했다. [사진=NASA/ESA/CSA/NOIRLab/STScI 제공]

 

 

표준 우주모형, 당분간 수정 필요 없어

이번 결과는 현재 널리 사용되는 표준 우주모형(ΛCDM)이 여전히 유효하다는 점을 뒷받침한다. 허블 상수가 모델을 흔드는 핵심 문제는 아닐 수 있다는 의미다.

프리드먼 교수는 후속 연구로 ‘코마 은하단’을 관측할 계획이다. 이 은하단에서는 초신성을 거치지 않고도 은하의 거리를 직접 측정할 수 있어, 팽창 속도를 구하는 방식의 중간 단계를 줄일 수 있다.

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그녀는 “허블 상수를 설명하기 위해 지금까지 1,000편이 넘는 논문이 나왔지만 결정적인 해답은 없었다”며 “앞으로는 암흑 에너지나 암흑 물질처럼 더 근본적인 우주 미스터리에 집중해야 한다”고 말했다.

 

 

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