과학

암흑에너지는 존재하는가?

본 글은 아래 영상을 요약한 것으로 제대로 알고 싶다면 아래 링크를 볼 것

 

https://youtu.be/C4e-6dgyzMo

 

 

강연이 굉장히 흥미로운 내용을 다뤄서 요약해봄.

내 전공이 아니라 잘못 설명할 수도 있으니

제대로 보려면 원본을 보는걸 추천

 

배경지식

 

암흑에너지란?

적색편이를 통해 우주가 팽창하는 것이 밝혀짐.

Ia형 초신성은 광도곡선이 일정해서 겉보기 밝기를 통해 거리를 측정하기 좋음

그런데 멀리 있는 Ia형 초신성에 대해서

적색편이를 보면 n등급으로 보여야 하는데, n+0.2 등급으로 더 어두워 보이는(더 멀리 있는) 것을 발견함

이를 통해 과거의 우주보다 지금의 우주가 팽창 속도가 빠르단 이론이 나옴

팽창 속도를 더 빠르게 하는 '알 수 없는 무언가'를 암흑 에너지라고 하기로 함.

 

이 가속팽창은 98년에 제기되었고, 11년에 노벨상을 받았음.

현대의 젊은 과학자들은 대부분 이 이론 위에서 우주론 연구를 하고 있었는데

그 첫단추가 잘못되었을 수 있다는 이야기임.

 

 

시작.

 

1.png

우주가 팽창하는 것은 부정할 수 없음.

후퇴속도는 적색편이로 알 수 있고, 거리는 거리사다리를 통해서 알게 됨.

만약 멀리 있는 것의 후퇴속도가 느리다면, 우주는 가속팽창하고 있고

멀리 있는 것의 후퇴속도가 빠르다면, 우주는 감속 팽창하고 있다는 뜻임.

 

2.png

Ia (1 에이 형)초신성은 쌍성계를 이루고 있는 별 중 하나가

동반성의 질량을 흡수하다가, 임계질량이 될 때 초신성 폭발을 일으키는 타입임.

일반 초신성과 달리 임계질량 근처에서 폭발을 일으키기에 밝기가 일정함.

밝기가 일정하기 때문에, 측정 밝기를 통해서 거리를 알 수 있음.

 

3.png

오메가 M은 밝혀진 질량(암흑물질 포함), 오메가 A는 암흑에너지를 의미함.

우주는 가속팽창하고 있고, 가속팽창의 원인으로 암흑에너지를 말하고,

관측결과는 질량이 0.3, 암흑에너지가 0.7일 때 모델과 관측결과가 가장 일치한다고 함

 

4.png

잼민이 시절 우주에 관심이 있었다면, 00년대 초반에는 우주의 나이에 대해서 계속 바뀌었던 것을... 기억하겠지?

내 기억에 110억년~153억년까지 다양했는데, 현대에는 137억년으로 추정하고 있음.

이처럼 00년대에도 우주론이 연구되면서 우주의 나이가 계속 바뀌었고, 98년에 나온 암흑 에너지는

저 토론을 하는 두 교수들 입장에서는 젊은 이론이며 절대적인 진리는 아니라는 예시로 들고온 모양

5.png

9년간 관측 결과를 통해, 나이추정이 심하게 편항되는 은하를 제외하고 보니

젊은 은하에서 초신성일수록 더 어둡다는 결과가 나옴.

즉, 먼 우주에 있어서 더 어둡게 보이는 가속팽창의 증거가 아니라

젊은(리튬 이후의 중원소가 적은 은하)은하에서 초신성이 어둡다는 광도진화의 증거일 뿐이다.

라는 주장을 하게 됨

따라서 초신성으로 측정한 우주는 가속팽창을 증거한다고 할 수 없다는 주장을 할 수 있음.

가속팽창에 대해 의심을 할 수 있으므로, 가속팽창의 에너지인 암흑에너지 또한 없을 수 있다고 의심할 수 있음.

(단 등속 팽창이라고 해도 통상물질만 있다면 감속팽창을 해야 하기 때문에 암흑에너지가 필요하다고 함)

 

이에 대해서 기존의 우주론을 지지하는 학자들이 다른 관측결과를 통해 측정해보니 그런 상관관계가 없다고 하는데

6.png

해당 논문의 통계분석이 잘못되었으며,

주류 분석기법을 통해서 분석해보면 자기네 팀에서 분석한 데이터보다 더 강한 상관관계를 증명한다고 함.

 

+ 이 부분은 분석기법에 대한 이야기가 나오는데,

어쨌든 반박하는 내용을 수용하더라도 가속팽창의 속도는 바뀌어야 하므로

핵심 주장은 아직 반박되지 않았다고 함.

7.png

어떻게 이러한 데이터가 나왔는가에 대한 내용으로,

여러 초신성의 광도곡선을 나타낸 그림임.

저 교수님 말로 수만명의 천문학자가 있지만, 초신성을 표준화 하는 과정을 이해하는 천문학자는 50명밖에 없다고 함

현대 학문은 너무나 전문화 되어있어서, 자기가 쓰고 있는 도구를 다 이해하고 사용한다는 것은 사실상 불가능함

그거 자체는 문제가 안됨.

초신성 표준화를 하는 모델을 연구하는 학자가 따로 있고,

그 이외의 학자는 특정 모델이 가장 타당하다고 가정하고 사용하는 게 맞음.

하여간 Ia형 초신성이라고 해도 모두 같은 밝기를 가지는건 아니고, 같은 색을 가지는 것도 아님.

여기서 눈여겨 볼 점은 밝은 초신성은 광도가 천천이 떨어져서 그 폭이 넓다는 점임.

8.png

표준화 하는 과정은, 광도곡선의 폭과 색지수를 구하는 과정이고

그 둘을 구했다면 겉보기 밝기로부터 실제 밝기를 구해 거리를 측정하는 것은 쉬움.

문제는 이 광도 표준화 과정에 항성종족에 대한 고려가 없다는 점임.

앞의 데이터는 젊은 초신성은 어둡다는 내용을 말하고 이 이야기를 하는 이유임.

9.png

반박하는데 사용한 데이터를 젊은 별과 늙은 별로 나눠서 보면

같은 WLR에서 젊은 별의 기울기는 늙은 별 보다 더 가파른 것을 알 수 있음.

그러면 같은 폭인 경우 덜 밝게 보정을 해야 하는데, 늙은 별이 포함된 WLR에 의해 더 밝게 보정됨.

= 실제 밝기보다 더 밝은 절대밝기를 가정했기에, 같은 겉보기 밝기에서는 더 멀리 있는 것으로 보임.

 

+ 3월에 발행한 논문에서는 이 내용에 대해서 나이를 고려하지 않더라도,

age가 다르다면 다른 변수도 영향을 주게 되기 때문에 (설명에서 생략한 부분)

다른 표준화 과정에서 어느정도

빨간선과 파란선의 중간에 해당하는 부분으로 적절히 반영되었을 거라는 반박을 했다고 함

10.png

과잉보정을 감안해서 다시 그려보면

적색편이가 큰(멀리 있고 옛날의) 초신성의 밝기(연청색)와 데이터로 부터 얻은 젊은 별의 밝기(파란색)가 같고

적색편이가 작은(가까이 있고 최신의) 초신성의 밝기(연갈색)와 데이터로 부터 얻은 늙은 별의 밝기(빨간색)가 같음.

즉, 젊은 초신성의 적색편이(후퇴속도)와 밝기(거리)의 상관관계가

멀리 있을 수록 후퇴속도에 비해 더 멀게 나오는 가속팽창의 증거가 아니라,

거리 측정이 잘못되었다는 주장임.

11.png

12.png

 

해당 연구결과를 반영하면 감속팽창모델과 일치함.

13.png

현대 우주론은 세 증거가 서로 조화롭게 나온다고, 조화모델이라고 불린다고 함.

자기는 2, 3번을 연구하는 학자가 아니라서 저게 틀렸다고 말할 수는 없지만

어쨌든 조화모델의 조화가 깨졌다고 봐야 한다고 함.

 

저 오른쪽 그림과 비슷한 내용이 이후 문답시간에도 나오는데,

현대 관측 결과는 우주는 평평하다고(Flat)하다고 함.

관측결과 일반물질+암흑물질이 0.3인데, Flat하기 위해서는 0.7의 무언가가 있어야 하는 것은 맞음

지금은 초신성우주론에서 나온 암흑에너지가 0.7이다! 라고 하는 거고

암흑에너지가 아닌 다른 무언가가 있다고 가정해야 한다고 함.

14.png

지금 관측 결과가 지지하는 우주모델은 위와 같은데

초신성 우주론을 기반으로 감속팽창 모델로 넘어가기 위해

갑자기 -1/3보다 큰 값이 될 수 없다고 함.

 

이영욱 교수님은 이거에 대해서 전문이 아니기 때문에 반박하진 못하겠지만

우주배경복사가 지지하는건 우주가 flat하다는 것이고, 0.3의 질량이고 0.7의 무언가가 더 있어야 한다는 내용인데

0.7이 반드시 암흑에너지일 필요가 없으므로, 이 그래프에 저러한 모양으로 나타날 명확한 연결고리가 없다고 함.

 

이에 대해서 박창범 교수님은 우주배경복사가 감속팽창 우주 모델에서 나오는 값 보다 훨씬 변동이 작기 때문에

초신성우주가 암흑에너지를 부정한다고, 감속팽창 우주를 주장하기엔 문제가 있다고 함.

 

해당 논문은 아직 커밋 중이므로 리젝될 수 있지만

학문의 최전선을 이렇게 강연으로 볼 수 있고, 내용을 문외한이 이해할 수 있다는 점이 흥미로워서 요약해봄.

 

 

 

"박창범 교수님은 어떻게 생각하세요? 암흑에너지가 있다 없다에 대해서."

"저는 신념을 가지고 사이언스를 하지 않아요."

 

 

내용이 재미있었다면 그 외 다른 강연들

김상욱 교수님 3부작 강의.

https://youtu.be/lVG2WzgoqGM

https://youtu.be/eoPoJNbokkA

https://youtu.be/Wg8-Vo9T4RI

 

https://youtu.be/FYdRcFiiM_4 : 과학적사고, 수학적 사고 - 둘은 같은 것인가?

https://youtu.be/QK3saJHgLNc : 전기와 자기가 만났을 때 - 자석에 전류를 흘리면?

https://youtu.be/Ts8CxM89KVE : 어떻게 호모 사피엔스는 지배적 동물이 되었나?

 

등등..

개인적으로 저 채널의 노벨상 해설, 필즈상 해설은 이해하려 해도 잘 안되어서 흥미는 없었음.

 

19개의 댓글

Space is flat

0
2021.05.30

상식적으로는 감속팽창이 이해가 더 잘되긴 하지

0
2021.05.30

개인적으로 암흑에너지는 지구 끝날 때까지 못찾는다고 생각함

암흑물질이나 암흑에너지가 존재하냐는 질문은

공간이 존재하냐는 질문과 같은 수준의 질문 같음

공간이 뭔줄 안다고 느낌은 드는데

정작 집이나 공터 같이 공간 안에 존재하는 물질을 관측하고 그 물질들이 공간이라고 착각함

공간은 내가 접한 현상 중에 가장 이질적인 현상임

물질로 존재하지 않는데 존재한다는 게 아직 이해가 안감

0
@치실

꼭 인간의 인식상 존재하는 것만 다루는게 아님

허수가 대표적인 예지

허수 뿐만 아니라 음수 조차도 '실재'하진 않지

허수를 쓰지 않고 자연을 표현할 수도 있지만, 쓰는게 편하니 허수를 쓰고 사원수를 쓰고 그렇지.

이해가 되지 않는다면 암흑에너지가 존재하는 가에 대한 논쟁도

암흑에너지가 실재하는가 가 아니라, 있어야 우주를 표현할 수 있는가 에 대한 논쟁이라고 생각해

0
2021.05.30

일단 데이터 에러픽 크기가 그래프 전체 크기의 절반정도 되는거 같은데 어떻게 분석을 했는진 모르겠지만.

물리학자로써 난 저 데이터 못믿겠음.

 

애초에 저쪽 관측 방법은 측정오차가 너무 커서 지금 기술로는 뭔가 설명하는게 어렵지 않을까 싶은데.

애초에 4 시그마 수준이 나온다고 하는데 데이터 분석방법이 뭔지 궁금하내.

저런 거대한 오차를 지닌 데이터가 4시그마가 나온다고 하면 좀 많이 이상한데.

1
2021.05.30
@고사리

오차가 큰 대신에 샘플 수가 많잖냐.....

0
2021.05.30
@아레오

샘플 수가 많아서 얻는 이점이 오차를 줄이는건데 샘플 수가 그렇게 많아보이지도 않고 오차가 작아보이지도 않음

0
2021.05.30
@고사리

? 물리학자 맞냐? 데이터가 수천 수만개는 돼야 하는줄 아나본데, 기본적인 linear regression도 수십개 샘플만 있으면 경향성을 높은 유의수준으로 맞출 수 있음

0
2021.05.30
@아레오

데이터가 많지만 오차범위가 너무 넓어서 내부에 다른 경향성이 있어도 안이상한 상황이지

선형근사이지만 데이터 포인트 더 찍으면 진동주기가 있을수도 있고 지수함수로 증가중일수도 있고. 일단 나는 저런데이터 나오면 폐기함

니 말대로 경향성이 있을수는 있지만. 단정하진 못하는 상황이고 측정 자체도 신뢰성이 낮아 보인다는걸 말하는중

0
2021.05.30
@고사리

실험실에서 측정한 물리량이 저정도 오차면 문제가 있겠는데, 천문학에서 저정도 오차는 허용범위 이내임 관측 환경도 그렇고 관측 대상도 그렇고 오차가 클 수밖에 없으니까

저 그래프들에서 보이는건 데이터를 완벽히 trace하는 식이 아니라 높은 유의수준으로 일종의 경향성을 보인다는 점에서 의의가 있는 것임 그것도 두 data set의 경향성에서 차이가 나타난다는 것이 더 중요한 거고

0
2021.05.30
@아레오

경향성 자체가 에러바랑 에러픽 고려시 의문점이 드는데 뭘.. 천문학쪽 현직자임? 경력은 대충 어떻게됨??

만약 현직자라면 그쪽에선 저정도 오류도 다 인정해주는편임?

 

0
@고사리

진짜 그런 레벨의 데이터면 저런 토론이 발생할 수 없었겠지?

0
2021.05.30
@월급받으며개드립하기

그건 맞다만 선형이라는 근거로 가져온 데이터가 너무 오차범위 에러픽이 많고. 내생각엔 선형이 아니라 지수함수 외삽해야 할 수도 있다고 본다

0
2021.05.30
@고사리

먼저 난 대학원생 따리에 사실 dark energy가 없다는 주장에 회의적이기도 함.

그걸 떠나서,

1. 멀리 있는 초신성의 광도 측정엔 당연히 오차가 클 수밖에 없음 그러므로 당연히 비교적 오차가 커도 경향성을 설명하는데 높은 유의수준을 보이고 설명이 뒷받침 된다면 충분

2. WLR과 CLR에서 선형 관계가 나타난다 알려져있음 이걸 근거로 regression했겠지

추가로 당연하게도, 위 논문의 데이터 처리에 관한 반박은 지금까지 언급된 것 없음

님 말대로 선형이 아니라 지수함수로 외삽을 해서 경향성이 더 잘 설명된다면 본인이 데이터받아서 직접 해보면 됨

댓글 보니 그냥 '에러바가 큰거같다', '선형이 아닐거 같다' 이정도 추측으로 까고싶은가본데, 관련 논문들은 좀 보고 온 사람인지 물어보고 싶네

0
2021.05.31
@아레오

에러바가 큰거 같다가 아니라 애러바가 그래프의 1/4 수준인데 ㅋㅋㅋㅋㅋ 이걸 보고 믿음직스럽다 라고 할 수는 없지.

난 관측 자체를 믿을수 없다는 의견임

0
KTO
2021.05.30

밝기랑 별개로 중력도 암흑에너지 없으면 설명 안되지않았나?

긁적긁적

0
2021.05.30

아니 좋은 이야기인데 뭔가 "놀라운발견!" 이런식으로 편집해놓으니까 무슨 게르마늄 사이비 과학같애ㅋㅋ

0

ㅅㅂ.. 뭔 이야기인지 모르겠으니까 존나 가만히 있어야겠다

2
2021.05.31

암흑에너지 그거 알지알아 좆간지나는 그거잖아

2
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