[우주로 한 걸음] 오타와大 연구팀 “우주의 나이, 138억 년보다 약 2배 많은 267억 년이다”
▲ 제임스 웹 우주망원경이 관측 임무를 수행하는 모습 상상도
제임스 웹 우주망원경은 미국 항공우주국(NASA)이 25년간 13조원을 들여 개발한 사상 최대 크기의 우주망원경이다. 우주망원경의 발달은 지금까지 발견하지 못했던 새로운 사실을 밝혀내게 되었다. (출처: NASA)
제임스 웹 우주망원경이 관측 데이터를 쏟아내기 시작하면서 비슷한 문제가 연이어 제기되고 있다. 초기 은하로 알려진 곳에서 거대 은하나 초거대 질량 블랙홀들이 발견되고 있는 점이다. 거대한 은하의 형성과 성장에는 방대한 시간이 걸리기 때문에 이론상 초기 우주에는 작고 어린 은하만 존재해야 한다. 따라서 이같은 발견은 ‘작은 은하에서부터 시작해 점차 큰 은하로 진화해 간다’는 기존 우주론을 뒤엎는 결과로 평가된다. 초기 우주에 거대 은하가 존재한다는 사실은 어떻게 설명할 수 있을까?
크게 두 가지 가설로 설명한다. 첫 번째는, 초기 우주에서 별과 은하, 블랙홀의 성장 속도가 지금보다 훨씬 빨랐다는 것이다. 우주의 성장 속도가 지금보다 빨랐다면, 우주 나이에 비해 지나치게 성숙한 천체들의 존재를 이해할 수 있다. 두 번째는 우주의 나이가 기존 이론보다 더 오래되었다는 것이다. 더 긴 세월 여유롭게 성장하여 지금의 거대 은하가 되었다고 설명할 수 있다. 지난 7월, 실제로 두 번째 가설을 지지하는 논문이 발표되었다.
출처 불명 초고에너지 우주선(cosmic ray) 포착…
현대 물리학으론 설명 불가
굽타 교수 연구팀, 우주의 나이는 267억 년이다
지난 7월 7일,『왕립천문학회 월간 공지(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRAS)』에는 우주의 나이가 138억 년이 아닌 267억 년일 수 있다는 논문이 발표되었다. 오타와 대학의 라젠드라 굽타(Rajendra Gupta) 교수 연구팀은 천문학계에 등장한 과거 여러 이론을 결합하면 우주의 추정 나이가 267억 년이 된다며 “우리 연구는 138억 년보다 오래된 것으로 보이는 별이나 은하가 발견되는 모순을 푸는 열쇠가 될지도 모른다”고 얘기했다.
기존의 우주 팽창론, 적색편이(赤色偏移, redshift) 현상을 설명하다
현재 정설로 여기는 우주론에 의하면 우주는 끊임없이 가속 팽창하고 있다. 멀리 있는 은하일수록 적색편이 정도가 커지는 현상은 이를 뒷받침한다. 적색편이란 물체가 내는 빛의 파장이 늘어나 보이는 현상이다. 일반적으로 전자기파의 가시광선 영역에서, 파장이 길수록 (에너지가 작을수록) 붉게 보이기 때문에, 물체의 스펙트럼이 붉은색 쪽으로 치우친다는 의미에서 적색(赤色)편이(偏移)라고 불린다. 기존 우주론에서 적색편이는 공간의 팽창 때문에 빛의 파장이 길어지는 현상이다. 먼 은하에서 빛이 날아오는 동안 그 사이 시공간도 함께 늘어나기 때문에 빛의 파장이 더 길게 늘어지게 된다는 주장이다.
우주의 나이에 대한 현재 추정치는 적색편이에서 비롯된 팽창 이론으로 도출한 것이다. 적색편이를 분석하면 별이 서로 멀어지는 속도를 알아낼 수 있다. 팽창 속도를 구하여 이 값으로부터 거꾸로 우주의 크기가 0이 될 때까지의 시간을 역산한 것이 138억 년이라는 추정치다. 그런데 적색편이의 원인이 우주 팽창뿐만이 아니라면 우주의 나이는 어떻게 될까?
적색편이 현상을 설명하는 또 다른 이론, 츠비키의 ‘피곤한 빛(tired light)’ 이론
천체물리학자 프리츠 츠비키(Fritz Zwicky)는 적색편이가 생기는 이유를 ‘피곤한 빛(Tired Light)’ 이론으로 설명한다. 피곤한 빛 이론에 의하면 빛은 먼 우주에서 날아오는 동안, 우주 곳곳을 채우고 있는 다른 가스 구름 속 원자들과 부딪히며 에너지를 잃게 된다. 먼 거리에서 날아온 빛일수록 더 많이 지치게 되기 때문에 빛의 파장도 더 길게 늘어져 적색편이가 생긴다는 것이다.
▲ 적색편이(redshift)를 설명한 그림
우주 팽창론과 피곤한 빛 이론을 결합시키다
굽타 교수는 기존의 팽창하는 우주 이론과 ‘피곤한 빛’ 이론이 동시에 일어난다고 가정했다. 적색편이를 순전히 팽창에 의한 것이 아닌 ‘피곤한 빛’ 이론과의 하이브리드 현상으로 재해석하는 것이다. 두 이론이 모두 적용되면 우주의 형성 시간은 더 연장되어 267억 년이 된다. 굽타 교수의 이 새로운 모델은 비록 완전하지는 않지만, 현대 우주 이론으로는 설명할 수 없는 오래된 천체가 속속 발견되고 있는 요즘, 빅뱅 이론과 우주에 대한 새로운 관점을 제공한다는 점은 부인할 수 없다.
연구논문 RESEARCH ARTICLE
제임스 웹 우주망원경의 초기 우주 관측과 람다–CDM 우주론(기존 우주론) / JWST early Universe observations and ΛCDM cosmology
September 2023 MNRAS 524(3):3385-3395
초록
< 해당 논문이 실린 MNRAS 표지 >
JWST(제임스 웹 우주망원경)의 심우주 관측은 빅뱅 이후 약 3억 년 된 고적색편이(약 z=15) 값을 갖는 매우 초기 은하의 구조와 질량이 약 100억 년 된 은하들만큼 진화했을 수 있다는 것을 밝혀냈습니다.
따라서 JWST의 발견은 ΛCDM 우주론 모델과 강한 긴장 관계에 있습니다. 피곤한 빛(tired litght, TL) 모델은 JWST의 각 은하 크기 데이터와 일치하지만, 우주 마이크로파 배경(CMB) 관측의 등방성이나 초신성 거리 모듈러스 대 적색편이 데이터를 만족스럽게 설명하지 못합니다.
우리는 확장 우주에서 피곤한 빛 개념을 포함하는 혼합 모델을 개발했습니다. 이 혼합 ΛCDM 모델은 1a형 초신성 데이터에 잘 맞지만 JWST 관측에는 맞지 않습니다.
우리는 수정된 FLRW 계량으로부터 시작하여 아인슈타인과 프리드먼 방정식을 도출하고, 공변 결합 상수(CCC) 모델과 CCC + TL 혼합 모델을 제시합니다. 이들은 판테온 + 데이터에 탁월하게 부합하며, CCC + TL 모델은 JWST 관측과 일치합니다. 이 모델은 우주의 나이를 267억 년(z=10에서 58억 년, z=20에서 35억 년)으로 늘려 거대 은하를 형성하기에 충분한 시간을 제공합니다.
따라서 원시 블랙홀 씨앗의 존재나 수정된 전력 스펙트럼, 대규모 III 세대 별의 급속한 형성, 초 에딩턴 흡수율 없이도 ‘불가능한 초기 은하’ 문제를 해결합니다. ΛCDM 모델의 확장으로 CCC 모델을 동적 우주 상수로 해석할 수 있습니다.
결론
JWST는 1990년대에 HST(허블 우주망원경)가 했던 것처럼, 우주론을 재정립하는 역할을 하고 있는 것 같습니다. HST는 ΛCDM 모델을 주목의 중심에 두었습니다. 반면 JWST는 표준 ΛCDM 모델에 도전장을 내밀고 있습니다. 이 논문에서 우리는 ΛCDM 모델을 확장한 것을 시도했는데, 이는 우주 상수가 동적으로 변한다고 가정합니다. 이 모델은 ‘피곤한 빛’ 개념과 판테온 + 데이터를 결합하여, JWST가 관측한 심우주의 고적색편이 은하의 각크기와 일치하는 ‘CCC + TL’이라는 새로운 모델을 제시합니다. 이 모델은 특히 고적색편이에서 우주의 시간을 늘려, 큰 은하들이 형성될 수 있는 여건을 마련합니다. 이는 초기 우주에서 복잡한 구조를 형성하기 위해 기존 모델들을 수정하고 조정할 필요를 없애주며, 초기에 큰 은하들이 존재할 수 없다는 문제를 해결해 줍니다.
Abstract
Deep space observations of the JWST have revealed that the structure and masses of very early Universe galaxies at high redshifts (z~15), existing at 0.3 Gyr(Giga year) after the Big Bang, may be as evolved as the galaxies in existence for ~10Gyr. The JWST findings are thus in strong tension with the ΛCDM cosmological model. While tired light (TL) models have been shown to comply with the JWST angular galaxy size data, they cannot satisfactorily explain isotropy of the cosmic microwave background (CMB) observations or fit the supernovae distance modulus versus redshift data well. We have developed hybrid models that include the tired light concept in the expanding universe. The hybrid ΛCDM model fits the supernovae type 1a data well but not the JWST observations. We present a model with covarying coupling constants (CCC), starting from the modified FLRW metricand resulting Einstein and Friedmann equations, and a CCC + TL hybrid model. They fit the Pantheon + data admirably, and the CCC + TL model is compliant with the JWST observations. It stretches the age of the Universe to 26.7 Gyr with 5.8 Gyr at z=10 and 3.5 Gyr at z=20, giving enough time to form massive galaxies. It thus resolves the ‘impossible early galaxy’ problem without requiring the existence of primordial black hole seeds or modified power spectrum, rapid formation of massive population III stars, and super Eddington accretion rates. One could infer the CCC model as an extension of the ΛCDM model with a dynamic cosmological constant.
Conclusion
JWST is perhaps playing the same role as HST(Hubble Space Telescope) did in the 1990s reinventing cosmology. HST put the ΛCDM model on the pedestal. JWST is challenging standard ΛCDM. In this paper, we have attempted to show that an extension of the ΛCDM model with deemed dynamical cosmological constant, when hybridized with the tired light concept and parameterized with Pantheon + data, provides a model, dubbed CCC + TL, that is compliant with the deep space observation of JWST on the angular sizes of highredshift galaxies. It stretches the cosmic time, especially at high redshifts, to allow the formation of large galaxies. It eliminates the need for stretching and tuning existing models to produce such structures in the early Universe, thus amicably resolving the impossible early galaxy problem.
▶ 논문 원문 링크
https://doi.org/10.1093/mnras/stad2032