우주가 정말 하나만 존재하는 게 맞을까요? 저는 이 영상을 보기 전까지 우주론이 이미 어느 정도 정리된 학문이라고 생각했습니다. 그런데 같은 우주를 측정하는데 방법에 따라 팽창 속도가 다르게 나온다는 사실을 알고 나니, 제가 알던 우주에 대한 확신이 흔들리기 시작했습니다. 특히 관측 기술이 발전할수록 이 차이가 더 벌어진다는 점에서, 단순한 측정 오차 문제가 아니라는 생각이 들었습니다.
허블텐션, 측정할수록 더 커지는 미스터리
일반적으로 우주의 팽창률은 하나의 값으로 수렴해야 한다고 알려져 있지만, 제 경험상 이건 좀 다릅니다. 현재 천문학계는 허블상수(Hubble Constant)라는 우주 팽창률을 측정하는 데 있어 심각한 난관에 부딪혀 있습니다. 여기서 허블상수란 우주 공간 자체가 얼마나 빠른 속도로 늘어나고 있는지를 나타내는 핵심 지표입니다. 쉽게 말해 은하들이 서로 멀어지는 속도를 거리로 나눈 값이죠.
문제는 이 허블상수를 측정하는 방식에 따라 결과가 완전히 다르게 나온다는 겁니다. 은하들의 후퇴 속도를 직접 관측해서 구한 값은 약 73km/s/Mpc(킬로미터/초/메가파섹)입니다. 여기서 Mpc는 메가파섹(Megaparsec)의 약자로, 약 326만 광년에 해당하는 천문학적 거리 단위입니다. 반면 우주배경복사(CMB, Cosmic Microwave Background)를 분석해서 얻은 값은 약 67km/s/Mpc로 측정됩니다. 우주배경복사란 빅뱅 직후 우주 전체에 퍼진 열기가 식으면서 남긴 전자기파 잔해로, 우주 초기 상태를 그대로 담고 있는 화석 같은 존재입니다(출처: 한국천문연구원).
솔직히 이건 예상 밖이었습니다. 약 6km/s/Mpc 차이라는 게 얼핏 작아 보일 수 있지만, 우주론에서는 이 정도 오차가 기존 이론 전체를 뒤흔들 수 있는 수준입니다. 더 큰 문제는 관측 정밀도가 높아질수록 이 차이가 줄어들기는커녕 오히려 더 뚜렷해진다는 점입니다. 제가 직접 최근 논문들을 찾아보니, 제임스웹우주망원경(JWST)을 활용한 최신 관측에서도 이 불일치는 여전히 유지되고 있었습니다.
천문학자들이 은하까지의 거리를 잴 때 주로 사용하는 방법은 다음과 같습니다.
- 세페이드 변광성: 일정한 주기로 밝기가 변하는 별로, 주기와 실제 밝기의 상관관계를 이용해 거리를 측정합니다
- Ia형 초신성: 항상 같은 밝기로 폭발하는 별로, 표준 촛불 역할을 합니다
- 중력렌즈 효과: 빛이 휘어지는 정도로 질량 분포와 거리를 역추산합니다
그런데 이런 방법들로 구한 국지적 허블상수와, 우주 전체를 대표하는 우주배경복사 데이터가 일치하지 않는 겁니다. 일각에서는 우리 은하가 밀도가 낮은 보이드(void, 우주의 빈 공간) 근처에 있어서 주변 은하들이 평소보다 빠르게 멀어지는 것처럼 보일 수 있다는 가설을 제기했습니다.
라니아케아 초은하단, 문제를 더 복잡하게 만들다
제가 이 부분에서 가장 흥미로웠던 건 라니아케아(Laniakea) 초은하단의 존재였습니다. 2014년 천문학자들은 우리 은하를 포함해 약 10만 개 이상의 은하가 지름 5억 광년 규모로 뭉쳐 있다는 사실을 발견했습니다(출처: 네이처 천문학). 여기서 초은하단이란 은하단(galaxy cluster)보다 더 큰 규모의 우주 구조로, 수천 개 이상의 은하가 중력적으로 묶여 있는 거대 집단을 의미합니다.
일부 연구자들은 허블텐션을 해결하기 위해 라니아케아 초은하단 내부 은하들의 고유운동(peculiar velocity)을 정밀하게 분석했습니다. 고유운동이란 우주 팽창과는 별개로 은하들이 서로의 중력에 끌리며 움직이는 속도를 뜻합니다. 쉽게 말해 우주가 부풀어 오르는 효과에 은하끼리 서로 잡아당기는 효과가 더해져서 실제 관측되는 속도가 결정되는 거죠.
연구팀은 은하들의 분포를 타원체 모델로 가정하고, 각 은하가 우리 쪽으로 다가오는지 멀어지는지 방향별로 분석했습니다. 그 결과 은하들의 고유운동이 최대 500km/s까지 차이를 만든다는 사실을 확인했습니다. 하늘의 어느 방향을 보느냐에 따라 우주 팽창률을 더 크게 혹은 더 작게 오해할 수 있다는 뜻입니다.
그런데 정작 이런 효과를 모두 보정하고 순수한 우주 팽창률을 다시 계산했더니, 결과는 73.5km/s/Mpc로 오히려 0.5 정도 더 커졌습니다. 제 생각엔 이건 연구자들에게도 상당한 충격이었을 겁니다. 문제를 해결하려고 시작한 연구가 도리어 문제를 더 심각하게 만든 셈이니까요.
일각에서는 라니아케아를 넘어선 더 거대한 슈퍼 보이드가 숨어 있을 가능성을 제기하고 있습니다. 하지만 저는 이런 가설들이 아직 검증 단계에 불과하다고 봅니다. 실제로 유클리드 우주망원경이 앞으로 100억 광년 범위의 은하 분포 지도를 완성하면, 이런 추측들이 사실인지 아닌지 분명해질 겁니다.
허블텐션이 해결되지 않는다면, 최악의 경우 암흑물질(dark matter)과 암흑에너지(dark energy)로 구성된 현재의 우주 표준 모델 자체를 수정해야 할 수도 있습니다. 여기서 암흑에너지란 우주를 가속 팽창시키는 정체불명의 에너지로, 우주 전체 에너지의 약 68%를 차지한다고 알려져 있습니다. 제임스웹망원경이 추가로 진행 중인 초신성 관측 프로젝트가 이 의문에 어떤 답을 내놓을지, 저는 조심스럽게 지켜보고 있습니다.
결국 허블텐션은 단순한 측정 오차가 아니라, 우리가 우주를 이해하는 방식 자체에 근본적인 문제가 있을 수 있다는 신호로 보입니다. 제가 이 영상을 통해 깨달은 건, 과학은 완성된 지식이 아니라 끊임없이 수정되는 과정이라는 사실입니다. 앞으로 몇 년간 이 분야 연구 결과를 계속 팔로우해 볼 생각입니다. 우주에 관심 있는 분들이라면 유클리드 망원경과 제임스웹의 후속 발표를 주목해 보시길 권합니다.