우주의 질서가 요동친다…가속팽창의 끝?
하이커뮤니티매니져
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먼 미래 우주가 수축하는 시나리오를 상상한 이미지. 2025년 10월, 이영욱 연세대 천문우주학과 교수팀은 기존 가속팽창 이론에 이의를 제기하며 “우주가 감속팽창하고 있다”고 발표했다. Center For Astrophysics/M. Weiss 제공
약 20여 년 전인 1998년 한 초신성 관측 결과가 정체불명인 우주의 윤곽을 서서히 드러냈다. 지구에서 멀리 떨어진 50개 이상의 초신성을 관찰해 보니, 초신성이 폭발하면서 내뿜은 빛이 예상보다 어둡게 관측된 것이다. 당시 주요 우주론이던 감속팽창 모델에 비해 빛이 더 어둡게 관측된다는 것은 그만큼 우주가 더 빠르게 멀어지고 있다는 해석이었다.
이후 천문학계는 해당 연구를 통해 우주가 점점 더 빠르게 팽창(가속팽창)하고 있다고 결론지었다. 사울 펄무터(당시 미국 UC버클리 교수), 브라이언 슈미트(당시 호주국립대 교수), 애덤 리스(당시 미국 존스홉킨스대 교수)는 이 연구로 2011년 노벨 물리학상을 수상하며 가속팽창을 우주론의 정설로 이끌었다.
이들이 관찰한 초신성은 우주의 ‘표준촛불’이라고 불리는 Ia형 초신성이다. Ia형 초신성은 쌍성계에 있던 백색왜성이 격렬하게 폭발한 결과물이다. 세 과학자는 밝기가 정확하게 일정하지 않은 Ia형 초신성을 ‘광도 표준화’ 과정을 통해 먼 은하까지의 거리를 정확하게 알아낼 수 있는 표준촛불로 사용할 방법을 개발했다.
이후 이들이 노벨 물리학상까지 수상하며 가속팽창은 천문학계에서 반박 불가능한 정론으로 받아들여졌다. 우주를 팽창시키는 불가사의한 힘은 우주의 68.3%를 차지하는 정체불명의 암흑에너지라고 정의하는 표준우주모형(우주가 일정한 속도로 가속팽창 중이라는 모델)이 확립됐다.
● 노벨상도 인정한 가속팽창에 문제를 제기하다
“첫 단추가 잘못 끼워져도 단단히 잘못 끼워진 겁니다.”
10월 27일 연세대 신촌 캠퍼스 과학관에서 만난 이영욱 천문우주학과 교수의 첫 마디는 단호했다. “자동차로 비유하면 지금까지는 우주가 가속페달을 밟고 있다고 생각했습니다. 하지만 우리의 오랜 연구 결과 우주는 이미 브레이크를 밟고 있습니다.”
그는 우주의 가속팽창을 입증해온 ‘표준촛불’에 오류가 있다고 지적했다. Ia형 초신성의 밝기가 일정하지 않고 별의 나이에 영향을 받는다는 것이다.
이 교수팀의 정철 연세대 연구교수와 손준혁 연구원이 약 300개의 초신성 호스트 은하를 정밀 분석한 결과 기존 결과와 다르게 젊은 별에서 발생한 초신성은 상대적으로 어둡고 나이 든 별에서 발생한 초신성은 더 밝다는 사실을 알아냈다. (doi: 10.1093/mnras/staf1685)
연구에 따르면 먼 은하의 초신성이 어둡게 보이는 이유가 단순히 우주가 팽창해서 멀리 있기 때문만은 아니다. 별 자체의 나이가 영향을 줄 수 있다. 먼 은하의 별은 나이가 들었고 상대적으로 밝은 초신성을 만든다.
가까운 은하의 별은 젊고 어두운 초신성이다. 젊은 초신성은 표준화 과정에서 실체보다 더 어둡게 보정된다는 뜻이다. 이러한 ‘나이 편향’ 효과는 연구에서 5.5시그마(99.99999% 신뢰도)의 통계적 정확도를 보였다.
연구팀이 나이 편향을 반영해 초신성 데이터를 보정하자 암흑에너지가 우주상수 형태(불변 상태)로 존재한다는 기존 표준우주모형은 더 이상 관측 결과와 일치하지 않았다. 이는 2011년 노벨 물리학상을 수상한 이론에 오류가 있을 가능성을 제기한다.
● 반박에 맞선 재분석, 불붙은 논쟁
“실은 5년간 정말 외롭게 싸웠습니다.”
이 교수는 2020년 ‘초신성 우주론 핵심 가정이 잘못됐다’는 첫 논문 발표 이후 거센 저항에 부딪혔다고 말했다. “투고한 논문을 과학적 이유가 아닌 다른 이유로 게재해주지 않는 등 힘든 점이 많았습니다. 다만 데이터가 계속 사실이라고 말해주니 포기할 수 없었습니다.”
그는 학계의 반응 단계를 “1단계 무시 → 2단계 반박 → 3단계 물타기 → 4단계 인정”이라 말하며 지금은 반박을 받고 있는 상황이라고 덧붙였다.
2020년 첫 논문 발표 직후 노벨상 수상자인 애덤 리스 연구팀은 기존 초신성 결과와 가속팽창이 맞다는 반박 논문을 냈다. (doi: abs/2002.12382)
하지만 이 교수는 해당 논문에서 초신성 나이 그래프에 측정 오차가 없다는 점을 보고 경악했다고 했다. “1학년 물리실험에서도 오차 없는 리포트는 F입니다.”
그에 따르면 애덤 리스 연구팀이 사용한 초신성 나이 데이터의 오차는 우주의 나이(138억 년)에 필적할 만큼 컸다. 오차가 크면 당연히 상관관계가 나타나지 않는다. 이 교수팀은 같은 해 10월 재반박 논문을 발표하며 응수했다. (doi: 10.3847/1538-4357/abb3c6)
논문 게재 과정에서도 보이지 않는 벽이 있었다고 그는 말한다. “심사위원 대부분이 게재에 찬성했지만 ‘데이터 부족’ 등 이유로 반대하는 사람이 나올 때까지 심사위원을 계속 추가하더군요. 결국 미국 학계와 이해관계가 없는 영국 왕립천문학회지(MNRAS)에 투고했습니다.”
그는 이어 “최근 30년간 노벨상은 수백 명과 수조 원이 투입된 초대형 프로젝트에 주로 주어졌다”며, 그러한 프로젝트에 문제를 제기하는 것은 거의 불가능하다고 지적했다.
하지만 반전이 있었다. 2020년 11월, 애덤 리스 연구팀이 사용한 다른 데이터를 정확한 통계 기법으로 재분석한 결과가 오히려 이 교수의 주장을 99.99% 신뢰도로 지지했기 때문이다. 더 극적인 것은 노벨상 수상 논문의 공동저자였던 알렉스 필리펜코(UC버클리) 연구팀이 검증에 나섰다가 연세대 팀이 옳다는 결론을 내렸다는 점이다.
● 초대형 관측 프로젝트 DESI가 더한 변수
이 교수팀의 발견은 2024년부터 발표된 DESI(암흑에너지 분광장비) 프로젝트 연구팀의 결과들과도 부합하고 있다. DESI 프로젝트는 미국 애리조나주 키트피크 국립천문대에 설치된 5000개 광섬유 로봇을 이용해 약 1500만 개 은하와 퀘이사를 관측하는 초대형 국제공동 연구다.
DESI 연구팀은 바리온음향진동(BAO)을 관측했다. BAO는 초기 우주 플라스마에서 나타난 음향 파동으로 빅뱅 이후 38만 년 동안 밀도 높은 우주가 요동치며 생긴 ‘주름’이다. BAO는 우주배경복사(CMB)와 함께 남아 있어 이를 정밀 관측하면 암흑에너지의 정체를 추론할 수 있다.
2024년 4월 DESI 연구팀은 “암흑에너지가 일정한 우주상수가 아니라 시간에 따라 변화하며 지난 45억 년 동안 약 10% 약해졌다”고 발표했다. 2025년 3월 발표된 DESI 3년 차 데이터 역시 이를 지지했다. DESI 연구팀은 세계물리학서밋에서 “암흑에너지가 점차 줄어드는 모델이 표준우주모형보다 더 설득력 있다”고 밝혔다. 이는 이 교수팀의 연구 결과와 같은 방향이다.
이 교수팀은 초신성의 나이 편향을 보정한 데이터와 BAO, CMB 세 가지 데이터를 함께 분석했다. 그 결과 표준우주모형이 틀렸다는 가설이 9시그마의 통계적 신뢰도를 보였다고 주장한다. 9시그마는 결과가 우연일 확률이 사실상 0에 가깝다는 의미다.
“최근 DESI 데이터가 이를 지지하고 있습니다. DESI 데이터도 우주가 더 이상 가속팽창하지 않는다는 것을 보여줘요. 저희 분석으로는 우주가 이미 감속 단계에 들어섰습니다.”
● 우주의 미래, 그 끝은 다시 ‘한 점’일까
우주의 미래는 어떻게 될까. 기존 표준우주모형에서는 암흑에너지가 일정하게 유지되며 우주가 영원히 가속팽창할 것이라 예측했다. 이 시나리오에서 우주의 종말은 ‘빅 프리즈(Big Freeze)’로, 약 1000억 년 후에는 은하들이 너무 멀어져 서로 관측할 수 없게 된다.
이 교수는 “감속팽창이 계속된다면 우주의 끝이 ‘빅 크런치(Big Crunch)’가 될 수도 있다”고 조심스럽게 전망했다.
“초신성 기반 가속팽창 우주론이 자리 잡기 전에는 중력에 의해 우주가 감속팽창한다고 봤잖아요. 제 생각엔 지금이 그때와 비슷한 상황입니다. 여전히 팽창은 하고 있지만 서서히 느려지는 것이죠. 자동차가 가속페달에서 발을 뗀 상태입니다. 그러다가 우주의 밀도 계수가 1.0을 넘는다면 어느 순간 우주가 수축 단계로 접어들 수 있습니다.”
물론 감속팽창은 아직 정설로 인정되진 않았다. 그러나 만약 우주가 정말 감속팽창하고 있다면 우주의 운명은 완전히 다르게 해석되어야 한다. 27년 동안 흔들리지 않던 가속팽창 이론이 재검토되고 있다. 이 교수팀의 나이 편향 발견과 DESI 프로젝트의 분석들이 만나 새로운 우주론을 향한 흐름이 만들어지고 있다.
우주는 정말 멈추고 있는 것일까. 그 답을 찾는 여정은 이제 막 시작됐다.
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