장주기 쌍성 연구 통해 표준중력 붕괴 새 증거 발표
"지난해 연구결과와 일치…암흑물질 재해석 불가피"
|
▲채규현 세종대학교 물리천문학과 교수 |
[에너지경제신문 김철훈 기자] 세종대학교(총장 배덕효)는 최근 물리천문학과 채규현 교수가 장주기 쌍성(두개 이상의 별들이 서로의 인력에 의해 공전하는 항성계)의 궤도운동에 대한 새로운 분석을 통해 뉴턴·아인슈타인의 표준중력 이론이 약한 가속도에서는 성립하지 않는다는 새로운 증거를 얻었다고 밝혔다.
이 연구 결과는 미국천문학회가 발간하는 ‘천체물리학 저널(The Astrophysical Journal)’에 지난 8일 온라인 게재됐다.
이번 연구에서 채 교수는 장주기 쌍성에 대한 유럽항공우주국의 가이아(Gaia) 우주망원경의 최신 데이터베이스를 사용했다. 이 데이터베이스는 쌍성에 대한 현존하는 최대 규모의 초정밀 데이터를 제공한다.
앞서 지난해 채 교수는 650광년 이내의 거리에 있는 2만6500여 개의 장주기 쌍성 분석을 통해 약한 가속도에서는 표준중력 이론이 성립하지 않는다는 결정적 증거를 확인해 논문을 출판한 바 있으며, 이번에 새롭게 독립적인 연구를 수행했다.
즉, 이번 연구에서는 관측 안 된 추가 별을 내포할 가능성이 있는 쌍성계를 모두 제거함으로써 순수한 쌍성계만을 얻어 분석했다.
이는 추가별의 영향을 계산하는 데서 발생할 수 있는 잠재적 오류를 원천 차단한 결과를 얻어 지난해 확인한 결과와 비교하기 위한 것으로, 순수한 쌍성 샘플은 2463개로서 본 샘플 2만6500여개의 10%에 불과한 규모지만 독립적인 결과를 줄 것으로 기대됐다.
순수한 쌍성 샘플로 중력의 속성을 연구하기 위해 채 교수는 두 개의 독립적 알고리즘을 적용했다. 첫 번째 알고리즘은 지난해 논문에서 개발된 것으로, 쌍성이 경험하는 가속도를 두 별 사이의 뉴턴 중력 가속도에 따라 계산하고 이를 뉴턴역학의 예측과 비교했다. 따라서 뉴턴 중력 가속도가 약해질 때 중력의 성질이 어떻게 변하는지를 밝힐 수 있다.
두 번째 알고리즘은 순수 쌍성 샘플에 적용하기 적합하도록 이번에 새로 개발한 것으로, 하늘(천구)로 투영돼 관측되는 두 별 사이의 상대속도의 분포를 관측된 두 별 사이의 거리에 따라 얻은 후 이를 몬테카를로 방법을 사용해 뉴턴역학이 예측하는 분포와 비교함으로써 중력의 성질을 밝힐 수 있다.
연구결과, 두 알고리즘에 의한 결과는 잘 일치하며, 지난해 전체 샘플을 통해 얻어진 결과와도 잘 일치했다. 즉, 뉴턴역학과 일반상대성이론의 표준중력은 약한 가속도에서 붕괴하며, 이스라엘의 모르더하이 밀그롬 교수가 제안한 수정뉴턴역학에 기초한 수정중력 이론의 예측과 일치한다.
즉, 궤도의 크기가 2000AU(1AU는 지구와 태양 사이의 거리) 이내일 때는 쌍성의 궤도운동이 표준중력의 예측과 잘 일치하나, 2000AU 이상에서는 표준중력의 예측에서 벗어나기 시작하며, 5000AU 이상에서는 관측된 상대속력과 중력 가속도의 크기가 뉴턴의 예측치보다 각각 1.2배와 1.4~1.5배 정도로 커지게 된다.
이는 전통적인 표준중력 이론이 약한 중력 가속도에서는 성립하지 않는다는 것을 의미하는 것으로, 기존 천체물리학계에 큰 파장을 미칠 수 있는 증거라는 것이 채 교수의 주장이다.
즉, 우주의 천체들과 우주 자체는 중력의 지배를 받기 때문에 기존 표준중력 이론에 위배되는 현상의 발견은 천체물리와 우주론에 중대한 변화를 초래할 것이라는 주장이다. 나아가, 기존 표준중력 이론으로 설명할 수 없는 우주 현상을 설명하기 위해 만들어낸 개념인 암흑물질과 암흑에너지도 재해석이 불가피하게 됐다는 설명이다.
채 교수는 "조만간 세 번째 방법을 통한 후속 연구 결과도 공개할 예정"이라며 "점점 많은 이들이 약한 가속도에서 나타나는 중력 변칙에 관심을 갖게 되면서 이번 세기에 폭발적인 발전이 있을 것으로 기대된다"고 말했다.
kch0054@ekn.kr
;){kind=link}