인류 역사상 가장 정밀한 우주 지도가 완성됐다

암흑에너지 분광 탐사 장비(DESI·Dark Energy Spectroscopic Instrument)가 5년간의 관측 임무를 예정보다 일찍 마무리하며 인류 역사상 가장 크고 정밀한 우주 3차원 지도를 완성했다. 지난 14일(현지시각) 미국 애리조나주 키트 피크 국립천문대에 설치된 니컬러스 U. 메이올 4미터 망원경이 마지막 관측을 종료하며, DESI는 2021년 5월 운용 개시 이후 총 4700만 개 이상의 은하와 퀘이사(quasar)를 포착했다. 당초 과학자들이 목표로 삼은 3400만 개를 훌쩍 뛰어넘는 수치로, 이전의 유사한 관측 대비 6배 규모다.

"DESI는 기대를 뛰어넘었다. 야심 찬 프로그램을 일정과 예산 안에서 완수한 것은 굉장한 성과"라고 DESI 운영 총괄 과학자이자 오하이오 주립대 교수인 클라우스 혼샤이트(Klaus Honscheid)는 밝혔다.

왜 이 지도가 중요한가

이 지도의 핵심 목적은 우주의 가속 팽창을 일으키는 정체불명의 힘, 암흑에너지(dark energy)를 추적하는 것이다. 암흑에너지는 우주 전체 물질·에너지의 약 70%를 차지하지만, 과학자들은 그 실체를 아직 이해하지 못한다. 이름 자체가 '모른다'는 뜻의 임시 명칭에 가깝다.

DESI가 구축한 3D 지도는 바리온 음향 진동(BAO·Baryon Acoustic Oscillations)이라는 기법을 통해 우주 팽창의 역사를 정밀하게 추적한다. BAO는 초기 우주에서 발생한 음향파의 흔적으로, 은하 분포 속에 일종의 '우주 자'를 새겨놓는다. 이 자를 이용하면 다양한 시대별로 우주의 팽창 속도를 역산할 수 있다.

특히 주목할 점은 2024년 4월 공개된 1년치 데이터 분석 결과다. 연구팀은 약 110억 년에 걸친 우주 팽창 이력을 분석한 결과, 암흑에너지가 시간이 지남에 따라 약해지고 있다는 단서를 포착했다. 표준 우주론 모델인 람다-차가운 암흑물질(ΛCDM) 모형은 암흑에너지를 우주상수(cosmological constant)로 가정하는데, 이는 시간이 흘러도 강도가 변하지 않는다는 뜻이다. 만약 암흑에너지의 약화가 5년치 전체 데이터로 확인된다면, 이 표준 모형은 수정이 불가피하다.

버클리 국립연구소 소속 DESI 협력 연구자 나탈리 팔랑크-들라브루이유(Nathalie Palanque-Delabrouille)는 "DESI가 관측한 가속 팽창의 약화는 우주상수로는 더 이상 설명이 안 된다. 이것은 암흑에너지 발견 이후 우주론 역사상 가장 흥미로운 발견이 될 수 있다"며 '패러다임 대전환'이라는 표현을 사용했다.

암흑에너지 연구, 어떤 흐름에 놓여 있나

암흑에너지의 역사는 1990년대 말로 거슬러 올라간다. 1998년 두 연구팀이 초신성 관측을 통해 우주의 팽창이 오히려 가속되고 있다는 사실을 발견했고, 이 성과는 2011년 노벨 물리학상으로 이어졌다. 이후 과학계는 이 가속을 설명하기 위해 암흑에너지라는 개념을 도입했고, ΛCDM 모형이 현대 우주론의 표준으로 자리 잡았다.

그러나 ΛCDM 모형은 처음부터 논란의 씨앗을 안고 있었다. 양자역학이 예측하는 진공 에너지 밀도와 실제 관측되는 우주상수 사이의 격차가 무려 120 자릿수에 달하는 이른바 '우주상수 문제'가 미해결 과제로 남아 있었기 때문이다.

DESI는 이 문제를 정면으로 파고들기 위해 기획됐다. 5000개의 광섬유 눈을 탑재한 이 장비는 2021년부터 매야 수백만 개의 은하 스펙트럼을 수집하며 우주 팽창의 역사를 정밀 측정해 왔다. 기존 슬론 디지털 스카이 서베이(SDSS) 등 선행 관측 프로젝트가 수백만 개 수준의 은하를 다뤘다면, DESI는 그 규모를 수십 배로 끌어올렸다.

앞으로의 전망 [전문가 분석]

5년치 전체 데이터를 기반으로 한 첫 논문들이 조만간 공개될 예정이다. 연구자들은 1년치 데이터에서 발견된 암흑에너지 약화 징후가 전체 데이터셋에서 통계적으로 확실히 확인될 경우, 수십 년간 우주론의 주춧돌 역할을 해온 ΛCDM 모형을 대체하거나 확장하는 새 이론이 필요해질 가능성이 높다고 본다.

팔랑크-들라브루이유 연구자는 "BAO, 우주 마이크로파 배경 복사, Ia형 초신성을 포함한 여러 우주론 탐침을 결합해야 비로소 암흑에너지의 미스터리에 다가갈 수 있다. DESI가 수집한 데이터는 이 가능성을 대폭 높여줄 것"이라고 밝혔다.

임무 완료 후에도 DESI의 역할은 끝나지 않는다. 완성된 지도를 활용한 후속 분석이 계속 이어질 예정이며, DESI-II 등 차세대 장비 기획도 진행 중이다. 또한 유럽우주국(ESA)의 유클리드(Euclid) 우주망원경과 미국 루빈 천문대(Rubin Observatory)의 데이터가 DESI 결과와 교차 검증될 경우, 암흑에너지의 정체 규명이 한층 빨라질 가능성이 높다.

과학계 일각에서는 암흑에너지의 약화 신호가 확인될 경우, 이것이 단순한 우주론 수정에 그치지 않고 물리학 전반의 근본 이론 재검토로 이어질 수 있다는 전망도 나온다. 우주의 70%를 차지하는 힘의 성질이 달라진다는 것은 인류의 우주 이해 자체를 다시 쓰는 일이기 때문이다.