암흑에너지 관측 프로젝트(DESI) 1주년,

세계 최대 규모의 우주 3차원 지도 공개

□ 암흑에너지분광장비(DESI) 프로젝트 개요

ㅇ 암흑에너지분광장비(이하 DESI, The Dark Energy Spectroscopic Instrument)는 우주 전체 에너지의 대부분을 차지하는 암흑 에너지의 정체를 밝히기 위해 분광기로 우주 3차원 지도를 만드는 대규모 국제공동 프로젝트다. 한국을 비롯한 11개 국가, 70개 기관의 연구자 약 900명이 참여하고 있다. 미국 애리조나 주 키트피크(Kitt Peak) 산꼭대기에 위치한 5,000개의 작은 광섬유 로봇들로 구성된 다채널분광기를 장착한 망원경으로 먼 은하에서 나온 빛의 스펙트럼을 정밀하게 관측하고 암흑에너지를 연구한다.

□ 암흑에너지분광장비(DESI) 프로젝트 성과 공개

ㅇ 한국천문연구원이 참여하는 국제 공동 연구진은 암흑에너지분광장비(DESI) 프로젝트 첫 성과로 사상 최대 규모의 3차원 우주 지도를 공개했다.

그림 1. DESI 연구진이 만든 약 600만 개의 은하와 퀘이사의 거리와 방향이 찍혀 있는 우주의 3차원 지도. 적경 190도, 적위 14도에 이르는 하늘의 좁은 부채꼴 모양의 관측 자료로서 우리은하가 중심에 있다. 중심으로부터의 거리는 DESI가 관측한 적색이동에 해당한다. 이 중 적색이동된 약 27억 광년 안쪽의 모습을 확대한 큰 지도에는 중입자음향진동의 패턴인 여러 개의 공 모양이 선명히 보인다. (출처: DESI)

ㅇ 연구진은 DESI를 활용해 지난 1년간 지구로부터 최대 110억 전의 년 떨어진 은하와 퀘이사의 빛을 관측했으며, 이로부터 우주가 얼마나 빨리 팽창했는지 측정했다.

- 연구진은 전체 우주의 팽창 역사를 오차 범위 0.5%로 측정했으며, 특히, 지금부터 80억 ~ 110억 년 전 사이의 초기 우주의 역사를 1% 오차 이내로 정확하게 측정한 것은 처음 있는 일이다.

- DESI의 지난 1년간 관측 데이터 규모는 지금껏 관측한 모든 3차원 분광 지도를 합한 것보다 크다.

영상 1. 5,000개의 작은 광섬유 로봇들로 구성된 다채널분광기초점면 관련 영상

DESI 설명 천체투영관용 영상 링크: https://www.youtube.com/watch?v=isIH9ut8cuY

관련 보도자료 링크: https://www.kasi.re.kr/kor/publication/post/newsMaterial/29461

□ 3차원 지도 관측 방법

ㅇ 우주 초기에 퍼진 중입자들은 연못에 돌을 던지면 파동이 생기는 것처럼 우주 초기 플라즈마의 음향파가 공모양의 표면을 따라 고밀도 영역을 만드는 BAO(중입자 음향 진동)라 하는데, 이러한 패턴이 우주와 함께 팽창 해 나간다는 사실을 이용해 BAO 반지름이 변화하는 모습을 7개 서로 다른 시기에 대해 측정함으로서 우주 진화의 역사를 재구성하였다.

- 이를 위해 가까운 우주에 대해서는 주로 은하의 분포를 사용하였고 먼 우주에 대해서는 은하보다 밝은 퀘이사* 데이터가 주로 사용되었다.

※ 퀘이사: 준항성전파천체(Quasar Stellar Radio Source)를 지칭하는 용어이며, 중심에 존재하는 거대질량 블랙홀에 의해 막대한 에너지를 전파 영역에서 발생시키는 천체다. 가시광선이나 X-선으로도 매우 밝게 보여 아주 멀리 있어도 관측이 가능하다.

그림 2. 퀘이사의 빛을 활용해 관측하는 이미지 상상도. (출처: DESI)

ㅇ 지금까지의 데이터 분석에 의하면, 우주의 진화 양상은 현대 우주론의 표준 이론인 LCDM*으로 설명할 수 있다.

※ LCDM(람다 차가운 암흑물질 이론) : 우주상수에 해당하는 암흑 에너지를 가지고 있고 대부분의 물질은 차가운 암흑물질로 이루어져 있다는 모형을 뜻하며 현대 우주론의 표준 이론으로 오랫동안 자리잡고 있다.

- 연구진은 DESI 관측 자료, 플랑크 위성의 마이크로파 우주배경복사 자료, 제 Ia형 초신성 자료 등을 결합해 암흑에너지가 고정되지 않고 시간에 따라 변할 가능성이 95% 이상이라는 결과를 도출했다.

- 이번 DESI 데이터 분석에는 한국천문연구원의 샤피엘루 알만(Shafieloo Arman) 박사, 로드리고 칼데론(Rodrigo Calderon) 박사후연구원, 그리고 쿠샬 로드하(Kushal Lodha) 박사과정 학생을 포함한 200명 정도의 연구가들이 참여했다.

□ 암흑에너지분광장비(DESI) 프로젝트 향후 계획

ㅇ DESI 연구진은 총 300만 개의 퀘이사와 3,700만 개의 은하를 포함하는 우주 지도를 만들 계획이다.

- 이형목 중력파우주연구단의 단장(서울대학교 물리천문학부 교수)은 “DESI의 이번 결과는 초기 우주의 역사를 사상 최대 규모의 우주를 3차원으로 가장 정확하게 분석한 결과다”고 밝혔다. 그는 “다만 허블 갈등*은 여전히 중력파 활용 등 다른 방법을 통해 해결해야 한다는 과제가 남아 있다”라고 말했다.

※ 허블갈등: 측정 방법에 따라 허블상수가 일치하지 않는 것을 허블갈등이라 부른다.

- 한국천문연구원 샤피엘루알만 박사(과학기술연합대학원대학교 교수, 중력파우주연구단 핵심연구원)는 “DESI 프로젝트를 통해 시간에 따라 암흑에너지의 특성이 변할 가능성이 매우 높다는 것을 발견했다.”며 “이번 관측 데이터로 우주의 팽창 과정과 중력에 관한 다양한 이론들을 검증하고 암흑에너지 본질을 규명하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대한다.”고 말했다.

[참고 2] 참고 설명 및 용어

암흑에너지

암흑에너지는 현재 우주 전체 에너지의 약 70%를 차지하는 요소로, 우주의 팽창 속도를 점점 더 빠르게 하는 역할을 한다. 하지만 암흑에너지가 정확히 무엇이며, 어떤 성질을 갖는지는 아직 정확히 밝혀지지 않았다.

암흑에너지가 무엇인지 알아내려면, 우주에 있는 물질의 분포가 시간에 따라 어떻게 변화했는지를 관측해야 한다. 이를 알아내는 가장 좋은 방법은 먼 은하의 위치를 최대한 많이 관측해, 먼 과거까지 이어지는 우주의 넓은 3차원 지도를 만드는 것이다. 또한, 멀리 있는 은하의 거리를 알기 위해서는 은하에서 온 빛의 스펙트럼 파장이 얼마나 늘어났는지를 재면 된다. 따라서 멀리 떨어져 있는 은하의 스펙트럼을 측정하는 분광 탐사가 암흑에너지 연구에 필요하다.

현재까지 암흑에너지를 연구하기 위해, 여러 분광 탐사가 이루어졌다. 예를 들어, 2000년부터 시작된 슬론 디지털 전천탐사(Sloan Digital Sky Survey)는 2.5m급 망원경을 이용해 2백만 개 이상의 은하 위치를 측정해, 현재로부터 110억 년 전까지 도달하는 우주의 3차원 지도를 작성했다. 하지만 암흑에너지의 정체를 더 정확히 알기 위해서는 더 먼 우주까지 더 많은 은하를 관측하여, 더 넓고 구체적인 우주의 3차원 지도를 만들어야 한다.

DESI 프로젝트

DESI는 약 3,700만 개의 은하를 분광하여, 지구에서 110억 년 떨어진 곳의 우주공간의 은하들의 거대 분포를 관측하는 세계 최대 분광 광시야 관측 프로젝트이다. 이렇게 얻어진 은하의 분포를 우주의 3차원 지도로 제작할 예정이다. 이를 통해 우주 은하의 분포와 거리를 파악하고 우주 초기 급팽창, 우주 가속 팽창의 원인 그리고 가상의 원동력인 암흑에너지에 대한 정보를 규명할 수 있을 것이다. DESI 프로젝트는 키트피크국립천문대(Kitt Peak National Observatory)에 있는 4m급 메이올(Mayall) 망원경에서 수행한다.

DESI 프로젝트 홈페이지: https://www.desi.lbl.gov/

적색이동

적색이동은 별이 멀어질 때 나오는 빛의 파장이 도플러 효과에 의해 실제 빛의 스펙트럼보다 붉은색 쪽으로 치우쳐 나타나는 현상을 말한다. 우리가 외부 은하를 관측할 때 적색 이동을 확인할 수 있다. 이는 외부 은하가 우리로부터 멀어져 가고 있다는 것을 알려주는 것이며, 이를 통해 우주가 팽창하고 있음을 알 수 있습니다. 외부 은하가 우리로부터 멀어질수록 적색이동은 더 커지고, 그로 인해 추정된 이동속도 값도 더 크다.