[우주] 중력파 발견, 천체물리학 대청소 시작하다 우주항공

1_14910.jpg » 다중 우주 내부에 있는 ‘거품 우주’들을 묘사한 그림. Science Photo Library. nature.com서 재인용.  

 

 다중우주론 다가오고 순환우주론 멀어진다

 

최근 중력파 발견으로 기존 물리학의 대청소가 시작됐다. 벌써부터 노벨상감으로 칭송받는 빅뱅 우주론의 증거가 발견됨으로써 향후 다중우주론의 입지가 넓어지고, 순환우주론이 설 자리가 좁아질 전망이다.
 3월17일 하버드 스미소니언 천체물리학센터(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)의 천문학자 존 코바크(John Kovac)는 과학자들이 오랫동안 기다려 왔던 중력파의 증거를 제시했다. 그것은 팽창이라고 불리는 극적인 확장의 시기에 빅뱅으로 시작된 공간 조직의 잔물결이었다. 이날 이 발견을 담은 첫번째 논문이 캐나다 페리미터이론물리학연구소(Perimeter Institute for Theoretical Physics)의 우주학자 데이빗 마쉬(David Marsh)와 동료들에 의해 온라인에 게시되었다.
 논문 저자들은 엑시언(axion)이라는 가상의 기본입자를 기반으로 해 팽창과 암흑물질을 모두 설명하려고 시도했던 일단의 모형들이 남극기지의 BICEP2 망원경을 이용한 코바크팀의 측정결과로 인해 거의 배제되었다고 기술했다. 하지만 이 연구자들은 모든 액시언 모형들을 배제하지는 않았다. “이 특별한 종류의 액시언들은 암흑물질의 아주 작은 일부만을 구성한다”고 마쉬는 말했다.
 “일부 액시언 모형들은 BICEP2가 지시하는 것보다 더 낮은 에너지 규모에서 작용하기 위해서는 팽창을 필요로 하기 때문에, 그 모형들은 더 이상 유효하지 않다. BICEP2의 발견으로 많은 다른 이론들도 단번에 배제될 것이며, 여기에는 팽창을 일으키는 에너지장의 특성에 관한 다른 여러 아이디어들도 포함된다. 수용될 수 있는 모형들이 엄청나게 줄었다”고 존스홉킨스대 우주학자 마크 케미언코우스키(Marc Kamionkowski)는 말했다. “거의 모든 것이 배제되는 대청소가 이루어질 것이다. 실험 분야뿐만 아니라 이론 분야를 확실히 흔들어놓고 있다”고 MIT의 우주학자 막스 테그마크(Max Tegmark)는 말했다.

1279599568.JPG » 이번에 발견한 초기 우주 형성기의 중력파 발생 패턴 흔적. nature.com  

 

 중력 복사 배제하는 순환우주론, 이번 발견으로 근거 잃어

 

스탠퍼드대의 안드레이 린데(Andrei Linde)는 BICEP2 데이터로 인해 팽창 모형들의 90% 정도가 배제될 것이라고  말했다. 그는 그러한 모형들 중 많은 수는 검출가능한 수준의 중력파를 발생하지 않는다고 말했다. 그는 팽창이론의 창시자 중 한 명이다. 그러나 이번 발견은 30년전 린데가 발견한 단순한 버전의 팽창인 ‘혼돈 팽창(chaotic inflation)’과는 놀랄 만큼 잘 일치한다고 그는 말했다. 린데의 모형에서 팽창은 결코 완전히 끝나지 않고, 공간의 제한된 골짜기에서만 멈추며, 그밖의 공간에서는 기하급수적으로 팽창한다. 혼돈팽창은 우리 우주만 생성시키는 것이 아니라 각각 자신만의 물리학 법칙을 가지는 수많은 골짜기 우주들을 포함하는 다중우주도 생성하는데, 이러한 아이디어는 시험해볼 수가 없다고 비평가들은 말한다.
 린데는 중력파로 인해 순환우주라고 알려져 있는 다른 팽창 모형이 배제될 것 같다고도 말했다. 순환우주에서는 고차원 공간 내부에서 표류하는 3차원 공간인 2개의 ‘막 세상’들이 충돌해 대폭발(Big Bang)을 일으킨다. 이 이론은 중력 복사를 발생시키지 않는다. 프린스턴대의 이론물리학자이자 순환우주론 창시자인 폴 스타인하르트(Paul Steinhardt)는 BICEP2 발견이 확실하다면, 자신의 이론은 끝났다고 동의했다. 그러나 그는 자신의 모형의 변형판은 중력파를 발생시킬지도 모른다는 기대를 포기하지 않았다.
 

P1030168.jpg » 3월18일 MIT에서 열린 BICEP2 연구 결과 설명회장. 왼쪽부터 네이처 기자 론 코웬, 스탠퍼드대의 안드레이 린데, BICEP2 선임연구자 존 코바크, 데이터 분석을 주도한 미네소타대의 클레멘트 프라이케, 같은 대학의 천체물리학자 루시 포트손. nature.com

 

 끈 이론, 처음부터 다시 시작해야

 

 BICEP2의 결과는 일부 끈 이론가들도 다시 처음으로 되돌려보낼 것이라고 이론물리학이자 MIT의 노벨상 수상자인 프랭크 윌첵(Frank Wilczek)은 말했다. 끈 이론에서는 기본 입자들이 매우 작은 진동하는 에너지 고리들로 이루어져 있다고 가정한다. 끈 이론을 우주과학과 결합시키려는 노력으로 만들어진 팽창 모형들은 BICEP2에 검출된 수준보다 훨씬 더 낮은 에너지를 가지는 중력파를 발생시킨다고 그는 말했다. 끈 이론 기반의 팽창 모형들이 곤경에 처했다는 것은 동의하지 않는다고 스텐퍼드대의 이론물리학자 에바 실버스타인(Eva Silverstein)은 말했다. “우리가 다시 시작해야 한다고는 생각하지 않는다. 사실 이제는 액시언과 끈을 모두 포함하는 다른 종류의 이론들이 유망해보인다”고 그녀는 말했다. “끈 이론을 버릴 필요는 없다. 어떤 형태의 끈 이론이 더 나은지를 배우는 정상적인 과정일 뿐이다. 끈이론가들뿐만 아니라 우리 모두는 다시 처음으로 되돌아가야 하지만, 그것은 우리가 실패했기 때문이 아니라, 매우 중요한 무언가를 우리가 배웠고 이제 우리는 이 지식을 사용하여 더 나아가야 하기 때문”이라고 린데도 동의했다.
 
출처
http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=245499&cont_cd=GT 
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-03-31     
원문
http://www.nature.com/news/gravitational-wave-finding-causes-spring-cleaning-in-physics-1.14910


곽노필 한겨레신문 선임기자 nopil@hani.co.kr
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