기획·칼럼

한층 더 업그레이드될 암흑물질 연구

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] ESA 코스믹 비전 프로그램(4) 유클리드(Euclid) 미션

플랑크 미션의 성과

우주배경복사라고도 불리는 우주 마이크로파 배경(Cosmic Microwave Background, CMB)의 관측에 관한 가장 최근 미션인 ‘플랑크’ 미션은 높은 민감도와 해상도를 바탕으로 우주 마이크로파 배경의 비등방성을 밝혀낸 바 있다.

2018년 발표된 최종 결과에 따르면 우주의 대부분은 암흑 에너지(대략 69%)로 이루어져 있으며 나머지의 대부분도 암흑 물질로 이루어져 있음이 밝혀졌다. 이를 기반으로 플랑크 팀이 최종 도출한 우주의 나이는 약 138억 년 정도이며 우주의 팽창률(허블 상수)은 대략 67.4 km/s/Mpc로 밝혀졌다. 즉, 우주의 팽창이 더 가속화되고 있음이 밝혀졌다.

독일 하이델베르크 대학교 이론 물리학 연구소는 플랑크 미션을 주도적으로 참여하고 이끌었다. 이중 플랑크 미션의 결과를 주도적으로 분석한 페토리노(Valeria Pettorino) 박사는 “우주 마이크로파 배경의 상세하고 정밀한 측정은 온도의 미세한 차이를 보여주고 있다. 이는 전체 지도에서 작은 얼룩처럼 보인다.”라고 말하며 “온도 차이는 표준모형을 설명하는 여러 가지 변수들을 식별할 수 있게 도와주었다”고 밝힌 바 있다.

하지만 미션의 한계점도 동시에 드러났다. 그녀는 “천문학자들은 플랑크 데이터를 이용하여 과거에 얼마나 많은 암흑 에너지가 존재했는지를 예측할 수 있었는데, 놀랍게도 초기 암흑 에너지의 양은 예상보다 훨씬 적었을 것으로 예측된다.”라고 밝혔다.

이는 암흑 에너지의 이론 모델과 다소 차이를 보이기에 플랑크 미션의 결과는 우주론의 표준 모델과 완전히 일치하지 않음을 보여주는 것으로 과학자들에게 혼란을 불러 일으키고 있다.

편광도와 온도의 비등방성을 보여주는 플랑크 미션의 최종 결과 ⓒESA/Planck

암흑 에너지에 대한 연구는 아직 초기 단계라고 할 수 있다. 우주 마이크로파 배경에 관한 관측들은 암흑 에너지가 필요하다는 것을 보여 주지만, 그 구성은 아직도 불분명하기 때문이다. 이 때문에 몇몇 천문학자 및 이론 물리학자들은 다양하게 수정된 이론을 적용하며 아인슈타인의 상대성 이론에서 가정한 중력이론에 의문을 제기하곤 한다. 분명한 것은 암흑 물질, 암흑 에너지 그리고 중력 이론은 우주론 연구에 있어서 가장 중요한 핵심적인 요소들이라는 점이다.

이에 하이델베르크의 이론 물리학 연구소는 플랑크 미션의 결과를 바탕으로 다시 한번 암흑 에너지와 암흑 물질에 관한 큰 프로젝트에 주도적으로 참여하게 되었다.

한층 업그레이드될 새로운 프로젝트 유클리드(Euclid) 미션

유럽 우주국은 하이델베르크의 이론 물리학 연구소를 중심으로 플랑크 미션의 관측이 끝나기도 전에 한층 더 업그레이드된 차세대 미션을 선정하고 개발을 시작했다. 초고정밀 망원경이 필요하기에 큰 예산이 필요했고 이에 따라서 유럽 우주국의 코스믹 비전 캠페인 중 두 번째 중간 규모 미션으로 선정되었다.

플랑크 미션이 300 마이크로미터부터 11.1 밀리미터의 다소 긴 파장의 관측을 했던 반면 새로운 미션은 550 나노미터부터 2 마이크로피터 파장의 가시광선과 근적외선에 집중하는 계획을 세웠다. 망원경의 크기는 1.2m이며 0.53 평방도의 넓은 관측시야를 자랑하며 북반구와 남반구 총 1만 5000 평방도에 달하는 광역 탐사를 계획하고 있다. 지구에서 다양한 거리에 있는 은하의 모양을 측정하고 거리와 적색 편이의 관계를 조사할 계획인 새로운 미션의 이름은 유클리드(Euclid)로 정해졌는데, 기하학의 아버지라 불리는 고대 그리스의 수학자 유클리드(Euclid of Alexandria)의 이름을 따서 명명되었다.

현재 계획에 따르면 2022년 7월에서 12월 정도에 발사할 예정이다. 미션의 운영 기간은 최소 대략 6년 동안 유지될 전망이며 우주의 3분의 1에 퍼져 있는 약 20억 개 이상의 은하 및 주변 암흑물질을 집중적으로 관측하여 재구성하고 지도를 작성할 예정이다.

유클리드 미션의 상상도 ⓒESA/EUCLID

유클리드 미션의 망원경은 이탈리아의 Thales AleniaSpace에서 개발하고 페이로드 모듈은 프랑스 툴루즈의 Airbus Defense and Space에서 관리하고 있다. 적외선 탐지기 16개와 예비 탐지기 4개는 미항공우주국에서 제작한다.

2019년 10월에 완성된 유클리드 미션의 실제 망원경 ⓒESA/EUCLID

유클리드 미션을 전체적으로 관장하고 감독하고 있는 유클리드 컨소시엄은 오스트리아, 벨기에, 덴마크, 핀란드, 프랑스, ​​독일, 이탈리아, 네덜란드, 노르웨이, 포르투갈, 루마니아, 스페인, 스위스, 영국 등의 유럽의 주요 국가와  캐나다 및 미국에서 참여하는 총 1200명의 과학자 및 공학자들로 구성돼 있다.

유클리드 미션의 과학적인 목적

유클리드 미션의 가장 큰 목적은 우주의 가속 팽창을 정확하게 측정하여 암흑 에너지와 암흑 물질을 더욱 자세히 이해함에 있다.

유클리드 미션은 대략 과거 약 100억 년 전에 해당하는 은하의 적색 편이 값을 2까지 측정하여 우주 팽창의 역사와 우주 구조의 형성에 관해서 조사할 예정이다. 이에 따른 은하의 모양과 그에 상응하는 적색 편이 사이의 관계는 암흑 에너지가 우주의 가속 팽창에 어떻게 기여하는지 보여줄 수 있을 것이다.

아주 먼 천체에서 나오는 빛이 중간에 있는 거대한 천체에 의해 휘어져 보이는 현상인 중력 렌즈 현상 (gravitational lensing), 초창기 우주의 음향 진동이 남긴 흔적인 바리온 음향 진동(Baryon acoustic oscillations), 그리고 분광기를 이용한 은하 거리 측정 등을 활용하여 암흑 물질의 향을 추론하고 궁극적으로 우주에 어떻게 분포되어 있는지 조사할 예정이다.

중력 렌즈 효과 ⓒ한국천문연구원

유클리드 미션과 비슷한 시기에 지구에서 출발할 제임스 웨브 우주망원경(JWST)과 WFIRST 망원경 등과 서로 피드백을 주고받으며 통계적인 조사도 수행할 계획이며, 이러한 관측들을 기반으로 2028년에 총 결과를 배포할 예정이다.

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