지구 나이의 비밀 실마리 풀리나?

중성자 병합 과정 통해 허블 상수 계산

2020.12.23 08:04 황지혜 객원기자

지구 나이의 실마리를 찾을 가능성을 높이는 연구결과가 나왔다.

독일 포츠담 대학의 팀 디트리히(Tim Dietrich) 교수 연구팀을 비롯한 국제연합 연구팀은 2개의 중성자별이 서로 충돌해 하나로 합쳐지는 과정을 관찰함으로써 중성자별의 크기를 측정하고 우주의 크기를 추정할 수 있는 방안을 도출했다. 관련 연구결과는 18일 사이언스지에 게재됐다.

우주의 역사와 크기는 인류가 아직 풀지 못한 미스터리다 ⓒ pixabay

 

연구팀은 우선 일반적인 중성자별의 크기를 계산했다. 2개 중성자별 사이의 충돌과 관련된 물리적 과정을 추적하기 위해 독일, 네덜란드, 스웨덴, 프랑스 및 미국의 과학자들은 충돌을 통해 얻은 데이터를 전자기(AT2017gfo, GRB170817A) 및 중력파 신호(GW170817, GW190425)와 결합했다. 연구팀은 “극한 조건에서 물질의 상태에 대한 천체 물리학적 정보를 얻기 위해 관찰 결과와 이론적 핵물리 계산을 결합했다”고 설명했다.

이를 통한 분석에서 연구자들은 관찰한 중성자별의 질량이 90% 신뢰도에서 태양의 1.4배며, 반경은 약 11.75km라고 결론을 내렸다. 태양보다 무거운 엄청난 질량이 미국 뉴욕주 맨해튼 시 정도의 규모에 응축돼 있다는 뜻이다. 두 개의 중성자별은 서로의 중력에 이끌려 나선형으로 빠르게 회전하다가 충돌하면서 하나로 결합됐다. 충돌 과정에서 두 중성자별은 감마선 형태의 빛을 방출하는데, 이 빛은 지구에서도 관측 가능하다. 연구팀은 이들 데이터로부터 중성자별의 질량과 반지름을 구할 수 있었고 지구로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지도 측정해냈다.

이와 함께 연구팀은 우주가 팽창하는 속도를 나타내는 허블 상수를 계산했다. 허블 상수는 외부은하의 후퇴속도와 거리 사이의 관계를 나타내는 비례상수로 공간에서의 우주의 팽창률을 의미한다. 외부 은하가 우리 은하에서 멀리 떨어질수록 멀어지는 속도가 빨라진다. 중성자별이 충돌하면 주기율표의 중원소가 대부분 형성되기 때문에 방출되는 신호를 사용해 우주의 팽창률을 측정할 수 있다.

허블 상수를 정확하게 산출해낼 경우 인류는 우주의 나이를 알 수 있게 된다. 우주가 계속 팽창하고 있기 때문에 허블 상수의 역수를 이용하면 얼마 동안 팽창한 것인지를 파악 가능하기 때문이다. 그러나 그동안 허블 상수의 값에 대해서는 과학자들 간에 이견이 있어왔다. 허블 상수를 계산하는 방법에 따라 상이한 수치가 나왔기 때문이다. 우주 배경 복사를 기반으로 한 측정에서는 약 67km/s/Mpc의 값이 산출된다. 지구에서 1메가파섹(Mpc, 326만 광년) 멀어질 때마다 초당 67km씩 더 빠르게 팽창한다는 뜻이다.

반면 초신성 기반 분석에서는 약 74km/s/Mpc로 훨씬 더 높은 값이 나온다. 이 경우에는 지구에서 326광년 떨어질 때마다 초당 74km의 속도로 더 빨리 팽창한다는 것이다. 각각의 값을 통해 지구의 나이를 계산한다면 수 억 년의 차이가 벌어진다. 이 때문에 천체 연구자들은 계속해서 허블 상숫값의 불일치에 대해 설명하려고 노력해 왔다.

두 중성자별의 충돌 모식도 ⓒ Tim Dietrich

 

이번에 포츠담대 연구팀 등이 중성자별의 관찰을 통해 발견한 값은 약 66.2km/s/Mpc로 우주 배경 복사의 측정을 통해 계산한 허블 상수와 유사하다. 이들이 도출해낸 결과는 우주 배경 복사를 통한 계산이 정확하다는 근거로 작용할 수 있다. 동시에 연구팀이 구해낸 허블 상수는 지금까지 계산된 허블 상수 중 가장 작은 수치다. 다시 말해 우주가 팽창하는 속도가 가장 느리다는 의미다. 지구의 역사가 현재 알려진 것보다 오래됐을 수 있다는 설명도 가능하다.

이들의 연구는 최근 빠르게 성장하는 분야인 다중 신호 천문학(multi-messenger astronomy)을 기반으로 하고 있다. 다중 신호 천문학은 우주에서 지구로 전달되는 다양한 유형의 신호, 빛, 입자 및 중력파 등을 활용하는 연구 분야다. 전자기 광선 스펙트럼의 우주 신호에는 감마선, 자외선, 가시광선 및 적외선, 전파 등이 포함되고 입자는 전자, 양성자, 중성미자, 복잡한 원자핵 등이 있다.

연구팀은 새로운 방식의 허블 상수 계산에 대해 의미를 부여하면서도 “우리 연구는 아직 어떤 허블 상수를 배제할지를 입증하기에 충분하지 못하다”며 “더 많은 다중 신호 관찰 연구가 필요하다”고 밝혔다.

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• 황지혜 객원기자
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