[2011 노벨물리학상] 펄머터, 슈밋, 리스 : 우주가 '가속 팽창'한다는 충격적인 발견

 

 

 

 

📜 들어가며: "우주는 감속하고 있다", 20세기의 상식

 

1990년대 후반, 우주론은 하나의 거대한 '정답'을 향해 수렴하는 듯 보였습니다. 1929년 에드윈 허블은 우주가 '팽창'하고 있음을 발견했습니다. 그 이후 70년간, 물리학자들의 질문은 "우주가 팽창하는가?"가 아니라, "그 팽창이 '얼마나' 느려지고 있는가?"였습니다.

이것은 상식이었습니다.

우주를 지배하는 힘은 '중력'입니다. 우주 안의 모든 은하와 물질은 서로를 끌어당기고 있습니다. 빅뱅이라는 거대한 폭발로 밖으로 팽창하려는 힘과, 중력이라는 안으로 끌어당기는 힘이 줄다리기를 하고 있었습니다. 당연히, 팽창 속도는 '중력' 때문에 '느려져야' 했습니다. [감속 팽창]

당시 우주론의 가장 큰 질문은 "우주에 물질이 얼마나 많아서, 이 팽창이 '언젠가 멈추고' 다시 수축할 것인가 [빅 크런치], 아니면 '영원히' 팽창할 것인가"였습니다.

이 '감속도'를 측정하기 위해, 전 세계의 천문학자들은 가장 빛나는 '우주의 등대', 즉 초신성 [Supernova]을 관측하는 경쟁에 뛰어들었습니다.

그런데 1998년, 이 경쟁에 참여했던 두 개의 라이벌 팀은 자신들의 데이터를 보고 경악했습니다. 데이터는 '감속'을 가리키지 않았습니다. 정반대였습니다. 우주는 감속하기는커녕, 알 수 없는 힘에 의해 점점 더 '가속' [Accelerating]하고 있었습니다.

20세기의 상식이 무너지는 순간이었습니다.

 

🏆 영광의 수상 이유: "초신성 관측을 통한 우주의 가속 팽창 발견"

 

스웨덴 왕립 과학 아카데미는 2011년, 이 충격적인 우주관의 혁명을 이끈 세 명의 천문학자에게 노벨 물리학상을 수여했습니다.

"멀리 떨어진 초신성[Distant Supernovae] 관측을 통해, 우주가 가속 팽창하고 있음을 발견한 공로를 기리며"

상은 이 위대한 발견을 주도한 '두 개의 라이벌 팀'의 리더들에게 돌아갔습니다.

상의 절반 [1/2]은 솔 펄머터 [Saul Perlmutter]에게 수여되었습니다.

• 그는 로렌스 버클리 국립 연구소의 '초신성 우주론 프로젝트' [Supernova Cosmology Project, SCP]를 이끌었습니다.

상의 나머지 절반 [1/2]은 브라이언 P. 슈밋 [Brian P. Schmidt]과 애덤 G. 리스 [Adam G. Riess]에게 공동 수여되었습니다.

• 그들은 'High-Z 초신성 탐색팀' [High-Z Supernova Search Team, High-Z Team]을 이끌었습니다. [슈밋은 팀의 총괄 리더, 리스는 데이터 분석을 주도한 핵심 연구원이었습니다.]

이 두 팀은 서로 '경쟁'했지만, '같은' 결론에 도달했습니다. 1998년, 그들은 인류에게 "우주의 70%는 우리가 전혀 모르는 '무언가' [암흑 에너지]로 가득 차 있다"는 사실을 선포했습니다.

 

⚡️ '표준 촉광'이라는 우주의 자: Ia형 초신성

 

이 거대한 발견이 어떻게 가능했을까요? 그것은 우주의 거리를 재는 완벽한 '자', 즉 'Ia형 초신성' [Type Ia Supernova] 덕분이었습니다.

'Ia형 초신성'은 '백색 왜성' [죽은 별의 핵]이 동반성의 물질을 훔쳐 먹다가, 그 질량이 '일정한 한계' [찬드라세카르 한계, 태양의 1.44배]를 넘는 순간, 우주 전체에서 동일한 방식으로 폭발하는 현상입니다.

• 완벽한 '표준 촉광' [Standard Candle]: 모든 Ia형 초신성은 폭발하는 순간의 '최대 밝기'가 **'모두 동일'**합니다.
• 엄청난 밝기: 그 밝기는 은하 하나 전체의 밝기와 맞먹을 정도로 밝아서, 수십억 광년 밖에서도 관측이 가능합니다.

이것은 완벽한 '거리 측정 도구'였습니다. "멀리 있는 100와트 전구가 가까이 있는 100와트 전구보다 '어둡게' 보이듯", 우리는 초신성의 '겉보기 밝기'만 측정하면 그 초신성까지의 '거리'를 정확히 계산할 수 있었습니다.

 

🔬 1998년, 상식이 무너지다: "너무 어둡다!"

 

1990년대, 두 개의 팀[SCP와 High-Z]은 허블 우주 망원경과 지상의 거대 망원경을 이용해, 수십억 광년 떨어진 '먼' 초신성들을 사냥하기 시작했습니다.

그들의 목표는 '우주의 감속도'를 측정하는 것이었습니다.

• 예측: 만약 우주가 '중력' 때문에 '감속'하고 있다면, '아주 먼' [즉, 아주 '과거'의] 초신성들은 우리가 예상하는 것보다 '더 밝게' 보여야 했습니다. [과거에는 팽창 속도가 더 빨랐으므로, 우리에게 '더 가까이' 있어야 함]

1998년, 두 팀은 수십 개의 초신성 데이터를 분석한 뒤, 같은 결론에 도달했습니다.

"초신성들이... 너무 어둡다."

그들이 관측한 먼 초신성들은, '감속' 모델이 예측한 것보다 훨씬 더 '어둡게' 보였습니다.

"전구가 어둡게 보인다"는 것은 단 하나의 의미입니다. "전구가 예상보다 '더 멀리' 있다."

"먼 과거의 초신성이 예상보다 '더 멀리' 있다"는 것은 단 하나의 의미입니다. "그 초신성이 폭발한 이후, 우주의 팽창 속도가 '느려진' 것이 아니라, **오히려 '더 빨라졌다'**는 뜻이다!"

펄머터의 팀도, 슈밋과 리스의 팀도 자신들의 데이터를 믿을 수 없었습니다. 그들은 모든 계산 오류를 점검했지만, 결론은 바뀌지 않았습니다.

우주는 감속하고 있지 않았습니다. 우주는 가속 팽창 [Accelerating Expansion] 하고 있었습니다.

 

💡 '암흑 에너지': 아인슈타인의 '실수'가 부활하다

 

이 발견은 물리학의 근간을 뒤흔들었습니다. '중력'은 끌어당기는 힘입니다. 그렇다면 무엇이, 어떤 '미지의 힘'이 중력을 이기고 우주를 '밀어내고' 있단 말인가?

과학자들은 이 미지의 '반중력' 에너지에 '암흑 에너지' [Dark Energy]라는 이름을 붙였습니다.

그리고 이 '암흑 에너지'는, 1917년 아인슈타인이 자신의 방정식에 넣었다가 "내 생애 최대의 실수"라며 빼버렸던 '우주 상수' [Cosmological Constant, Λ]와 수학적으로 정확히 일치했습니다.

아인슈타인은 우주가 '정지'해 있다고 믿었기에, 중력으로 붕괴하지 않도록 '밀어내는' 힘으로 이 '우주 상수'를 억지로 도입했습니다. 1929년 허블이 '팽창'을 발견하자, 아인슈타인은 이 상수를 즉시 폐기했습니다.

하지만 1998년, 이 '유령'이 화려하게 부활했습니다. 펄머터, 슈밋, 리스의 발견은 "우주 상수는 0이 아니며, 이 우주의 약 70%는 우리가 전혀 모르는 **'암흑 에너지'**로 가득 차 있다"는 것을 증명한 것입니다.

 

🧐 TMI와 그의 유산

 

치열했던 '초신성 전쟁'

펄머터가 이끈 SCP팀과 슈밋/리스가 이끈 High-Z팀은 1990년대 내내 치열한 '경쟁' 관계였습니다. SCP팀이 먼저 데이터를 확보하고 분석을 시작했지만, High-Z팀이 1998년 2월 먼저 학회에서 '가속 팽창'을 발표했습니다. SCP팀은 몇 달 뒤인 1998년 6월, 더 많은 데이터를 포함한 결정적인 논문을 발표했습니다. 노벨 위원회는 이 위대한 발견이 '두 팀의 동시적 공로'임을 인정했습니다.

'H-zero'에서 'High-Z'로

브라이언 슈밋은 하버드 대학에서 박사 과정을 밟던 중, '허블 상수' [H₀, 우주의 팽창률]를 측정하는 연구를 했습니다. 하지만 지도 교수는 "이건 너무 어렵다"며 "High-Z" [먼 과거의 우주] 연구로 주제를 바꾸게 했습니다. 그는 훗날 "H-zero[H₀]에서 밀려난 덕분에 High-Z로 노벨상을 받게 되었다"고 회상했습니다.

24세의 '라이징 스타', 애덤 리스

애덤 리스는 1998년 '가속 팽창'의 핵심 데이터를 분석하고 논문을 작성할 당시, 불과 29세의 박사후연구원이었습니다. 그는 '표준 촉광'으로서의 Ia형 초신성을 보정하는 가장 정확한 방법을 개발하여, 이 발견에 결정적인 기여를 했습니다.

 

✍️ 나가며: '미지의 우주' 시대를 열다

 

2011년 노벨 물리학상은 20세기 말, 인류가 우주에 대해 얼마나 '모르고 있었는지'를 깨닫게 해준 충격적인 발견에 수여되었습니다.

펄머터, 슈밋, 리스는 우주의 '감속'을 측정하러 나섰다가, 우주의 '가속'이라는, 물리학의 교과서를 다시 쓰게 만든 '미지의 힘'을 발견했습니다.

그들이 발견한 '암흑 에너지'는 21세기 물리학과 천문학의 가장 거대한 질문이 되었습니다.

"암흑 에너지는 무엇인가?" "우주의 운명은 어떻게 될 것인가?" [모든 것이 찢어지는 빅 립, Big Rip?]

그들은 우리 우주의 5%만이 우리가 아는 '물질'이며, 95%는 미지의 '암흑 물질'과 '암흑 에너지'로 가득 차 있음을 밝혔습니다. 2011년의 노벨상은, 인류가 우주라는 거대한 바다의 '해안가'에서 이제 막 탐험을 시작했음을 알리는 위대한 뱃고동 소리였습니다.