한 세기 이상 동안 과학자들은 우주가 약 수십억 년 전에 모든 것을 시작한 최초의 사건인 빅뱅 이후 팽창하고 있다는 사실을 알고 있었습니다 .
그러나 지금까지 그들은 까다로운 문제를 해결하지 못했습니다. 얼마나 빠르게 확장되고 있습니까? 그것은 우주 마이크로파 배경 또는 과학 용어로 CMB로 알려진 빅뱅에서 남은 복사를 기반으로 한 추정 속도와 초신성 관측을 기반으로 한 훨씬 빠른 속도 사이에 차이가 있기 때문 입니다. 우주의 팽창 속도는 허블 상수로 알려져 있으므로 이 차이를 "허블 장력"이라고 합니다.
과학자들은 우주의 지속적인 팽창이 빅뱅 이후 70~80억 년 후에 우주 의 감속을 반전시키기 시작한 것으로 보이는 암흑 에너지라는 힘에 의해 추진되었다고 믿고 있습니다.
암흑 에너지란 무엇입니까?
설명 "암흑 에너지는 우주의 포함의 최선의 이해 우주의 총 에너지의 약 70 %에 따라, 우주의 에너지의 가상의 소스 오늘은" 글렌 Starkman , 저명한 대학 교수와의 공동 의장을 케이스 웨스턴 리저브 대학의 물리학과.
Starkman은 "그 존재에 대한 주요 증거는 지난 수십억 년 동안 진행되어 온 것으로 보이는 우주의 가속 팽창입니다."라고 말합니다. "이러한 팽창을 추진하려면 우주가 팽창함에 따라 더 희석되지 않는(또는 아주 적게 희석되지 않는) 에너지원이 필요합니다. 이는 대부분의 에너지 공급원(예: 일반 물질 또는 암흑 물질, 둘 다 덜 희석됨)을 부적격하게 만듭니다. "우주가 커질수록 밀도가 높아집니다. 암흑 에너지의 가장 간단한 모델은 빈 공간과 관련된 변하지 않는 에너지 밀도라는 것입니다. 따라서 공간이 팽창해도 암흑 에너지의 밀도는 일정하게 유지됩니다."
그러나 암흑 에너지는 왜 존재하지 않았는지 등 암흑 에너지에 대해 설명할 수 없는 것들이 많이 있습니다. 그리고 표준 모델에 암흑 에너지를 포함시킨다고 해서 우주 팽창의 두 측정값 사이의 차이가 해결되지 않습니다.
그리고 초기 암흑 에너지?
그러나 2013년에서 2016년 사이에 Atacama Cosmology Telescope(ACT)가 수집한 데이터를 기반으로 한 두 가지 새로운 아직 발표되지 않은 연구 는 문제에 대한 가능한 해결책을 제시하는 데 도움이 될 수 있습니다. 연구원들은 빅뱅 이후 처음 300,000년 동안 존재했던 일종의 "초기" 암흑 에너지의 흔적을 발견했다고 믿습니다. 이 최근의 기사 에 의해 자연에서 다비드 Castelvecchi 먼저 두 개의 논문을 공개, 하나의 행위의 팀과 다른 포함 된 독립적 인 그룹에 의해 비비안 Poulin 씨 , 프랑스 몽펠리에 대학의 천체 물리학 자 및 동료 Tristian L. 스미스와 알렉사 바틀렛을 스와스모어 칼리지.
초기 암흑 에너지에 대한 아이디어는 몇 년 전 당시 존스 홉킨스 대학의 박사후 과정 연구원이던 스미스와 동료들에 의해 문제를 해결하기 위한 방법으로 처음 제안 되었습니다.
"초기 암흑 에너지는 다른 형태의 암흑 에너지에 대한 제안입니다. 즉, 오늘날의 가속화된 팽창을 일으키는 암흑 에너지와 분명히 관련이 없습니다."라고 Starkman은 설명합니다. EDE는 "우주가 현재보다 약 10,000배 더 작고 뜨거웠던 오래 전에 우주에서 중요한 역할을 했을 것입니다." 그는 "우주 팽창률의 역사에 관한 어떤 불가사의한 불일치를 해결하기 위해 고안된" 개념이라고 말합니다.
네이처 기사가 설명하듯이, 초기 암흑 에너지는 수십억 년 후에 우주의 가속 팽창을 일으킬 만큼 강력하지 않았을 것입니다. 대신 빅뱅 직후에 형성된 소립자 또는 플라즈마 의 혼합을 더 빨리 냉각 시켜 간접적으로 영향을 미쳤을 것 입니다. 이는 차례로 우주 마이크로파 배경을 측정하는 방법에 영향을 미치며, 특히 음파가 가스로 냉각되기 전에 플라즈마에서 이동할 수 있는 거리를 기반으로 우주의 나이와 팽창 속도 측정에 영향을 미치고 더 빠른 결과를 가져옵니다. 천문학자들이 천체를 기반으로 계산하는 것에 더 가까운 팽창률.
초기 암흑 에너지는 까다로운 이론적 해법이지만 , 2018년 초기 암흑 에너지 논문의 저자 중 한 명인 존스 홉킨스 대학교 이론 물리학자 Mark Kamionkowski 가 네이처에 설명했듯이 "이것은 우리가 작동할 수 있는 유일한 모델 입니다."
결론이 명확하지 않다
두 연구는 초기 암흑 에너지에 대한 주장을 뒷받침하는 데 도움이 될 수 있지만, 관련된 연구원 중 한 명은 아직 완전히 확신하지 못하고 명확한 결론을 내리기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다고 경고합니다.
컬럼비아 대학(Columbia University)은 "우주의 은하와 물질의 대규모 분포('대규모 구조' 또는 LSS)에 대한 고정밀 측정을 일치시키는 데 직면하는 문제로 인해 초기 암흑 에너지 모델에 대해 회의적이었습니다."라고 말했습니다. ACT 팀 연구의 공동 저자 인 물리학 조교수 J. Colin Hill 은 이메일을 통해 이렇게 말했습니다. (Hill의 개념에 대한 질문은 그가 2020년에 공동 저술한 이 논문 과 이후의 논문 에도 반영되어 있으며, 그는 유사한 합병증을 제기하는 다른 연구자의 다른 논문 도 언급하고 있습니다 .)
"위에 링크된 3개의 논문에서 얻은 결론은 CMB 데이터와 Riess, et al., H0 데이터에 맞는 초기 암흑 에너지 모델이 이러한 조사의 데이터와 일치하지 않는 LSS에 대한 예측을 산출한다는 것입니다."라고 Hill은 씁니다. 이메일. "따라서 우리는 다른 이론적 모델이 필요하거나 초기 암흑 에너지 시나리오의 최소한 일부 수정이 필요할 것이라고 결론지었습니다."
Hill과 ACT 동료가 방금 게시한 새로운 연구에서 그들은 분석에서 LSS 데이터를 고려하지 않고 대신 거의 전적으로 CMB 데이터에 초점을 맞췄습니다. "목표는 실제로 Planck 및 ACT CMB 데이터가 초기 암흑 에너지 맥락에서 일관된 결과를 제공했는지 확인하는 것이었습니다. 우리는 그들이 다소 다른 결과를 제공한다는 것을 발견했으며, 이는 현재 우리가 이해하려고 열심히 노력하고 있는 주요 퍼즐입니다. 관점에서 볼 때 초기 암흑 에너지 시나리오에 대한 LSS 문제는 아직 해결되지 않은 상태로 남아 있습니다."
"또한 플랑크 데이터 자체(우주론에서 가장 정확한 데이터 세트로 남아 있음)는 초기 암흑 에너지를 선호하지 않습니다."라고 Hill이 설명합니다. "따라서 초기 암흑 에너지에 대한 ACT 데이터에서 본 힌트에도 불구하고 나는 이 모델이 정말로 마지막 이야기가 될 수 있는지에 대해 조심스럽게 남아 있습니다. 알아내려면 더 많은 데이터가 필요할 것입니다."
그것이 존재했다면 초기 암흑 에너지는 우주의 현재 팽창 속도를 이끄는 것으로 여겨지는 힘과 유사했을 것입니다. 그러나 여전히 이론적 모델에 대한 상당한 재고가 필요합니다.
"가장 큰 차이점은 이 초기 암흑 에너지는 우주 역사에서 짧은 기간 동안만 역할을 하고 그 후에는 '사라져야' 한다는 것입니다."라고 Hill이 말했습니다. "이를 달성하기 위해 우리는 재결합 전에 우주의 팽창을 잠시 가속화하는 역할을 하지만 빠르게 사라지고 관련이 없게 되는 새로운 필드(기술적으로는 액시온과 같은 필드)의 입자 물리학 모델을 구성합니다."
"반대로, 표준 암흑 에너지에 대한 현재의 주요 그림은 그것이 단순히 우주 상수일 뿐이며, 아마도 진공 에너지에 의해 발생했을 가능성이 있다는 것입니다."라고 Hill은 계속합니다. "이 형태의 에너지는 시간이 지남에 따라 변하지 않습니다. 그러나 표준 암흑 에너지는 우리가 아직 이해하지 못한 새로운 기본 분야로 인한 것일 수 있습니다. 이 경우 시간이 지나면서 진화할 수 있습니다. 따라서 위에서 논의한 초기 암흑 에너지 모델과 어느 정도 유사할 수 있습니다."
"다시 말하지만, 우리는 이러한 질문을 보다 정확하게 조사하고 향후 10년 안에 답을 찾기 위해 더 많은 데이터가 필요할 것입니다."라고 Hill은 말합니다. "다행히 많은 강력한 실험이 곧 온라인에 제공될 예정입니다." 그는 CMB를 연구할 시몬스 천문대 와 LSS에 대한 새로운 정보를 수집 할 루빈 천문대 , 유클리드 및 로마 우주 망원경 과 같은 시설을 언급합니다 . "우리가 찾은 것을 보는 것은 매우 흥미로울 것입니다."라고 그는 말합니다.
다음은 Hill이 초기 암흑 에너지에 대해 논의한 YouTube 동영상입니다.
Starkman은 증거가 명확하고 설득력이 없는 한 그러한 "비정상적" 주장에 주의하는 것이 중요하다고 말합니다. 그가 지적했듯이 EDE에 반대하는 증거도 있습니다. "현재 결과는 유럽 우주국(European Space Agency)의 플랑크(Planck) 위성 에서 우주 마이크로파 배경 관찰에 대한 두 가지 실험 데이터 세트 사이의 긴장이 증가함을 보여줍니다.지난 10년 초반에 날아간 이 천체는 현재의 아타카마 우주망원경에서 나왔다. 전자는 초기 암흑 에너지의 개념을 지지하지 않는 것으로 보이지만, 후자는 현재 지지하고 있습니다. 실험 사이의 이러한 긴장은 일반적이고 좌절감을 줍니다. ACT의 더 많은 데이터가 문제를 해결할 것이라고 말하고 싶은 유혹이 있지만 단순히 완성된 Planck 데이터를 더 많은 ACT 데이터로 압도한다고 해서 Planck 데이터가 EDE를 선호하지 않는 이유는 설명되지 않습니다. 긴장은 어떤 식으로든 명확한 사례를 제공하기 위해 이러한 실험 중 하나에 대한 수정된 이해가 필요할 것 같습니다."
우주 팽창 측정을 연구한 시카고 대학의 천문학 및 천체 물리학 교수인 Wendy Freedman 은 다양한 대안 모델을 추구하는 것이 중요하다고 생각합니다.
람다 저온암흑물질(LCDM) 모델
2021년 9월 17일 The Astrophysical Journal의 Hubble Constant에 게재된 이 기사 의 저자인 Freedman은 "우리는 현재 우주론의 표준 모델인 소위 람다 저온 암흑 물질(LCDM) 모델을 가지고 있습니다" 라고 설명합니다. 이메일. "그 모델에서 전체 물질 + 에너지 밀도의 약 1/3은 물질(대부분은 암흑 물질)에 기인하고 2/3는 암흑 에너지의 구성 요소에 기인합니다."
"그러나 현재 우리는 암흑 물질이나 암흑 에너지의 본질을 알지 못합니다."라고 Freedman은 계속합니다. "그러나 LCDM은 매우 다양한 실험 및 관찰에 매우 적합합니다. 우리의 지식 상태를 감안할 때 표준 모델을 추가로 테스트하는 것이 분명히 중요합니다. CMB에서 추론된 허블 상수 값 사이의 현재 명백한 불일치 측정 및 일부 로컬 측정은 새로운 물리학의 신호일 수 있습니다. 이것이 내가 람다 CDM 이외의 다른 모델을 조사하는 것이 중요하다고 말하는 이유입니다."
그러나 Freedman은 다음과 같은 중요한 경고를 추가합니다. "또는 명백한 불일치의 원인이 되는 아직 알려지지 않은 일부 시스템 오류가 있을 수 있습니다. 따라서 현재 허블 상수 측정의 불확실성을 줄이는 것도 중요합니다."
흥미롭네요
초기 암흑 에너지 가 존재했다는 것이 밝혀지면 우주의 나이를 추정할 때 우주는 현재 추정치인 138억년보다 14억년 더 젊어질 것입니다.
