By MATALIE WOLCHOVER, WIRED US

12월 3일, 인류는 갑자기 사람들이 영원히 원하는 정보를 손에 쥐게 되었다. 그것은 바로 별까지의 정확한 거리였다.

"별의 이름이나 위치를 입력하면 1초도 안 돼 정답을 알 수 있다."라고 시카고 대학과 카네기 천문대의 우주학자인 배리 마도어(Barry Madore)가 지난 주 줌 통화에서 말했다. "내 말은…" 그가 계속 설명했다.

"우리는 지금 감당하기 힘든 일을 하고 있다."라고 시카고와 카네기의 우주학자이자 마도어의 아내이자 협력자인 웬디 프리드만(Wendy Freedman)이 말했다.

2011년 암흑에너지를 공동발견한 공로로 노벨 물리학상을 수상한 존스 홉킨스 대학의 아담 리스(Adam Riess)는 전화통화에서 "내가 얼마나 흥분했는지 말로 할 수 없다. 내가 무엇에 대해 그렇게 흥분했는지 시각적으로 보여줘도 되는가?"라고 말한뒤 새로운 별 데이터를 스크린으로 공유할 수 있도록 줌으로 연결했다.
 
이 데이터는 유럽 우주국의 가이아(Gaia) 우주선에서 나온 것인데, 이 우주선은 지난 6년 동안 1백만 마일 높이에서 별을 바라봤다. 이 망원경은 13억 개의 별들의 "시차"를 측정했는데, 이것은 별들의 거리를 나타내는 하늘에서 별들의 겉보기 위치의 작은 변화이다. "자이아 시차들은 지금까지 가장 정확하고 정확한 거리 측정이다."라고 토론토 대학의 천체 물리학자 조 보비(Jo Bovy)가 말했다.

우주학자들에게 가장 좋은 것은, 가이아의 새로운 카탈로그에는 거리가 더 먼 모든 우주 거리를 측정하는 잣대 역할을 하는 특별한 별들이 포함되어 있다. 이것 때문에, 새로운 데이터는 현대 우주론의 가장 큰 난제인 허블(Hubble) 장력이라고 알려진 우주의 예상외로 빠른 팽창을 빠르게 악화시켰다.

장력은 다음과 같다. 우주의 알려진 성분과 지배 방정식은 현재 메가파섹 당 초속 67 킬로미터의 속도로 팽창해야 한다고 예측하고 있는데, 이는 우리가 추가적인 메가파섹의 거리에 대해 초당 67 킬로미터의 속도로 우리로부터 날아가는 은하들을 봐야 한다는 것을 의미한다. 그러나 실제 측정값은 일관되게 표적을 초과한다. 은하계가 너무 빨리 후퇴하고 있다. 이 불일치는 알려지지 않은 속력을 내는 물질이 우주에 있을지도 모른다는 것을 암시한다.

"만약 새로운 물리학이 있다면 그것은 믿을 수 없을 정도로 흥미로울 것이다."라고 프리드먼은 말했다. "나는 내 마음 속에 어떤 발견이 이루어졌으면 하는 비밀이 있다. 하지만 우리가 옳다는 것을 확실히 하고 싶다. 그렇게 분명하게 말하기 전에 해야 할 일이 있다."

그 일은 우주 팽창률 측정에서 가능한 오류의 발생원을 줄이는 것을 포함한다. 이러한 불확실성의 가장 큰 원인 중 하나는 근처 별까지의 거리, 즉 새로운 시차 데이터가 거의 확정되지 않는 거리였다.

12월 15일 온라인에 게재되어 천체물리학 저널에 제출된 논문에서, 리스의 팀은 새로운 데이터를 이용하여 그들의 이전 값에 따라 메가파섹 당 초당 73.2 킬로미터의 속도로 팽창 속도를 고정시켰지만, 지금은 겨우 1.8 퍼센트의 오차 범위 밖에 남지 않았다. 그것은 훨씬 더 낮은 67의 예측률과의 차이를 확대한 것처럼 보인다.

프리드먼과 마도르는 1월에 우주 팽창률에 대한 그들의 그룹의 새롭고 향상된 측정값을 발표할 것으로 기대하고 있다. 그들은 또한 새로운 데이터가 이동보다는 확인되기를 기대하며, 이는 리스와 다른 그룹의 측정치보다 낮은 수준으로 떨어지는 경향이 있지만 여전히 예측치보다 높은 수치이다.

가이아가 2013년 12월에 출시된 이후, 그것은 우리 우주 이웃에 대한 우리의 이해를 변화시킨 두 개의 다른 거대한 데이터 세트를 공개했다. 그러나 가이아의 초기 시차 측정은 실망스러웠다. 2016년 프리드만은 "첫 번째 데이터 결과를 봤을 때 울고 싶었다"고 말했다.


예상치 못한 문제 

시차축이 측정하기가 더 쉬웠다면 코페르니쿠스 혁명은 더 빨리 일어났을지도 모른다.

코페르니쿠스(Copernicus)는 16세기에 지구가 태양 주위를 돈다고 제안했다. 하지만 그 당시에도 천문학자들은 시차에 대해 알고 있었다. 만약 지구가 움직인다면, 코페르니쿠스가 한것처럼 하늘에서 움직이는 근처의 별들을 볼 수 있을 것이라고 예상했다. 당신이 길을 건널 때 가로등 기둥이 배경 언덕에 상대적으로 움직이며 보이는 것처럼 말이다. 천문학자인 타이초 브라헤(Tycho Brahe)는 그러한 별의 시차를 감지하지 못했기 때문에 지구가 움직이지 않는다는 결론을 내렸다.

하지만 지구는 움직이고 별들은 아주 멀리 떨어져 있기 때문에 가까스로 움직인다.

프리드리히 베셀(Friedrich Bessel)이라는 독일 천문학자가 항성 시차를 감지하는 데 1838년까지 걸렸다. 베셀은 항성계 61 시그니의 주변 별들에 대한 각도 변화를 측정함으로써, 항성계가 10.3광년 떨어져 있다는 결론을 내렸다. 그의 측정값은 실제 값과는 불과 10% 차이였다. 가이아의 새로운 측정값은 두 별을 11.4030광년, 11.4026광년 떨어진 곳에 위치시켰고, 광년의 1-2천분의 1을 주거나 가져갔다.

61 시그니 시스템(61 Cygni system)은 예외적으로 가깝다. 전형적인 은하수 별들은 현대의 망원경 카메라에서 단지 100분의 1 화소인 단지 1만 호 초의 속도로 이동한다. 움직임을 감지하려면 전문적이고 안정적인 기기가 필요하다. 가이아는 목적을 위해 설계되었지만, 그것이 켜졌을 때 예상치 못한 문제를 가지고 있었다.

이 망원경은 두 방향을 동시에 관찰하고 두 개의 시야에서 별들 사이의 각도 차이를 추적함으로써 작동한다고 1993년 가이아 우주선을 공동 제안하고 새로운 시차 데이터 분석을 이끈 레나트 린데그렌(Lennart Lindegren)이 설명했다. 정확한 시차 추정치를 사용하려면 두 시야 사이의 각도가 고정되어 있어야 한다. 그러나 가이아 임무 초기에 과학자들은 그렇지 않다는 것을 발견했다. 이 망원경은 태양을 기준으로 회전할 때 약간 구부러지며, 시차를 모방한 측정치에 흔들림을 유발한다. 설상가상으로, 이 시차 "상쇄"는 물체의 위치, 색상 및 밝기에 복잡한 방식으로 의존한다.

하지만, 데이터가 축적됨에 따라, 가이아 과학자들은 가짜 시차를 진짜 시차에서 분리하는 것이 더 쉽다는 것을 발견했다. 린데그렌과 동료들은 새로 발표된 시차 데이터에서 망원경 흔들림의 상당 부분을 제거하는 데 성공했으며, 연구원들이 별의 위치, 색, 밝기에 따라 최종 시차 측정을 교정하는 데 사용할 수 있는 공식을 고안해냈다.


측정을 위한 노력

리스, 프리드만 및 마도어와 연구팀은 우주의 팽창 속도를 재계산할 수 있었다. 넓은 획으로, 우주의 팽창을 측정하는 방법은 멀리 떨어져 있는 은하들이 얼마나 멀리 떨어져 있는지, 얼마나 빨리 우리로부터 멀어지고 있는지를 알아내는 것이다. 속도 측정은 간단하지만 거리측정은 어렵다.

가장 정확한 측정은 복잡한 "우주 거리 사다리"에 의존한다. 첫 번째 순서는 잘 정의된 광도를 가지고 있고 시차(paralax)를 나타낼 수 있을 만큼 충분히 가까운 "표준 광원" 별들로 구성되어 있다. 시차(paralax)를 표시할 수 있는 유일한 확실한 방법이다. 그런 다음 천문학자들은 표준 초의 밝기를 근처 은하에 있는 더 희미한 초와 비교하여 거리를 추론한다. 그것은 사다리의 두 번째 줄이다. 이 은하들이 희귀하고 밝은 별의 폭발을 포함하고 있기 때문에 선택된 은하들의 거리를 알면 우주학자들은 1a형 초신성으로 더 희미한 멀리 떨어져 있는 은하들의 상대적 거리를 측정할 수 있다. 멀리 떨어져 있는 은하들의 속도와 그들의 거리의 비율은 우주 팽창 속도를 제공한다.

따라서 시차는 전체 공사에 매우 중요하다. "첫 번째 단계(시차)를 바꾸면 그에 따르는 모든 것도 바뀐다."라고 원격 사다리 접근 방식의 선두주자 중 한 명인 리스는 말했다. "첫 번째 단계의 정밀도를 변경하면 다른 모든 단계의 정밀도가 변경된다."

리스의 팀은 가이아의 새로운 시차 75 세페이드(75 Cepheids)를 이용하여 그들이 선호하는 표준 광원인 별들을 다시 측정했다.

장거리 사다리 게임의 정상을 차지하고 있는 리스의 주요 라이벌인 프리드만과 마도르는 최근 몇 년 동안 케페이드들이 사다리의 높은 층에서 발생할 수 있는 실수를 조장한다고 주장해 왔다. 그래서 그들의 팀은 그들에게 너무 많이 기대기 보다는, 카이아 데이터 세트에서 나온 여러 종류의 표준 광원 별, 즉 거문고자리 RR(Cepheids, RR Lyrae) 별, 적색 거성 가지 끝 별, 그리고 소위 탄소 별에 기초한 측정을 결합하고 있다.

"가이아의 [새로운 데이터 결과]는 우리에게 안전한 기반을 제공하고 있다."라고 마도르는 말했다. 마도르와 프리드만 팀의 일련의 논문은 몇 주 안에 나올 것으로 기대되지 않지만, 그들은 새로운 시차 데이터와 수정 공식이 잘 작동한다고 언급했다. 측정치를 정리하고 분석하는 다양한 방법과 함께 사용할 때, 세페이드와 다른 특별한 별들을 나타내는 데이터 점들은 일직선을 따라 가지런히 떨어지며, 무작위 오류를 나타내는 "스케터(흩어짐)"은 거의 없다.

"이것은 우리가 진짜 물건을 보고 있다는 것을 말해주고 있다."라고 마도르는 말했다.

수학과 물리 및 생명과학의 연구 개발 및 추세를 다루어 과학에 대한 대중의 이해를 높이는 것이 사이먼스 재단의 편집자 독립 간행물인 Quanta Magazine의 허가를 받아 재인쇄된 원작 이야기이다.

** 위 기사는 와이어드US(WIRED.com)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 배효린 에디터)

<기사원문>
The universe is expanding faster than expected