[한국기술뉴스] 연세대학교 천문우주학과·은하진화연구센터의 이영욱 교수 연구팀(이하 ’연구팀‘)은 우주론 연구에서 거리 측정에 사용되는 핵심 천체인 Ia형 초신성의 광도 표준화 과정에 대한 최신 연구로부터 2011년 노벨물리학상을 수상한 우주가속팽창 학설이 명백한 허구임을 시사하는 스모킹건(smoking gun) 증거를 발견했다. 

우주가 미지의 암흑에너지에 의해 점점 빠르게 가속 팽창하고 있다는 표준우주모형의 가장 직접적인 증거는 Ia형 초신성을 이용한 먼 은하의 거리 측정에서 나오며, 이러한 일련의 연구 방식은 천문학계에서 ’초신성우주론‘으로 일컬어진다. 2011년 노벨상을 수상한 이 연구의 핵심 가정은 초신성의 광도가 모항성(progenitor star)의 나이에 따라 변하지 않는다는 것이다. 먼 우주에서 발현한 초신성은 가까운 우주에 비해 상대적으로 젊은 항성에서 발현한 것이기 때문에 이 가정이 틀리면 기존에 정립된 표준우주모형에 큰 수정이 불가피해진다. 

연구팀은 2020년 1월 미국 천체물리학회지(Astrophysical Journal)에 게재된 선행연구에서 이와 같은 초신성우주론의 핵심 가정에 오류가 있다는 관측적 증거를 발표했다. 즉 초신성의 광도와 모항성의 나이 사이에 통계적으로 유의미한 상관관계가 존재한다는 결과이다. 이에 대해 노벨상 수상자인 아담 리스(Adam Riess) 팀은 2020년 6월 반박 논문(B. Rose, A. Riess et al. 2020)을 게재했으나, 연구팀은 2020년 11월 재반박 논문(Y.-W. Lee et al. 2020)을 통해 아담 리스 팀의 반박자료가 오히려 연구팀의 결과를 더욱 강력히 지지한다는 반전의 결과를 발표했다. 이 결과는 작년(2021년 5월) 캘리포니아대 연구팀에 의해 제3자 검증이 이뤄졌고, 영국 옥스퍼드대, 미국 로체스터대, 프랑스 소르본느대, 독일 본대, 스페인 천체물리연구소 연구자 등 다수의 연구자들로부터 지지를 받고 있다.

그러나 당시에는 초신성의 광도와 모항성의 나이 사이에 존재하는 상관관계의 근본적인 원인이 무엇이며, 이 효과에 의한 우주론적 파급효과가 어느 정도인지 확실하게 파악되지 않았었다. 연구팀은 이번 연구에서 상대 진영인 아담 리스 팀의 반박자료 데이터를 보다 면밀히 분석해 초신성의 광도 표준화 과정이 모항성의 나이에 따라 변한다는 결정적인 증거를 발견하는 놀라운 성과를 올렸다. 

이 결과는 노벨상 수상자가 이끄는 상대 진영의 반박자료에서 발견했고 연구팀의 선행 연구와 일치하는 만큼 결과의 신빙성이 매우 높지만, 이해충돌 관계에 있는 상대 진영까지 설득하기 위해서는 다른 적색편이 구간의 다양한 샘플을 사용한 중장기적인 후속 연구가 필요하다. 초신성우주론 외에 암흑에너지의 또 다른 증거로 인용되고 있는 우주배경복사 및 바리온음향진동 연구는 암흑에너지의 간접적인 정황증거만을 제시하지만, 초신성우주론은 가장 직접적인 증거를 제시하는 방법으로 여겨졌다. 그러나 연구팀의 이번 연구결과로 인해 그동안 서로 일치하는 것으로 보였던 세 가지 우주론 연구 방법이 서로 상충되는 상황이 됐다. 이는 표준우주모형의 또 다른 문제인 ‘허블 텐션(Hubble Tension)’과 최근 제기되고 있는 ‘우주론적 원리’의 문제와 더불어 표준우주모형에 대한 대대적인 수정을 요구하게 될 것으로 전망한다.

본 연구는 교육부와 한국연구재단이 주관하는 대학중점연구소 지원사업의 일환으로 수행됐다. 연세대 이영욱 교수(제1저자 및 교신저자) 연구팀의 정철 연구교수(공동 교신저자), 박승현 연구원(공동저자), 손준혁 연구원(공동저자), 제미니천문대의 강이정 박사(공동저자), 그리고 미국 예일대의 피레 드마크(Pierre Demarque) 명예교수(공동저자)가 함께 연구를 수행했으며, 국제 최상위 천문학 학술지 중 하나인 영국 ’왕립천문학회지(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)’ 2022년 12월호에 게재됐다.