137.3 억년에 +_1억 2천만년 오차 : 새로운 우주의 나이 by 다음엇지

cosmo님의 "WMAP 5yr cosmology", extrad 님의 "가장 정밀한 우리 우주의 모습: WMAP 5yrs" 글과 함께 합니다.

오늘 우주론 관점에서 과학계에 큰 헤드라인 뉴스가 있었습니다. 바로 WMAP 5년간의 관측 결과가 분석/발표된 것입니다.

WMAP는 윌킨슨 우주배경복사(초단파) 비등방성 측정장비(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)를 줄여 부르는 말로, 인공위성입니다. 현재 지구에서 150만 킬로미터 되는 곳에 있는 영구 관측 지점 (라그랑지 점이라고 부릅니다. 지구의 인력과 태양의 인력이 균형을 이루며 준안정 상태에 있는 점이죠)에서 탑재하고 있는 정밀한 계측기를 통해 우리 우주의 태초의 모습을 전체 우주 배경 복사 지도를 만들어 우주의 신비를 밝혀내는 현재 가장 강력한 실험 중 하나입니다. 오늘 발표된 자료는 지난 5년간의 실험 데이터를 내놓은 것입니다. (이미 2년전 3년간의 실험 데이터를 기반으로 한 논문들이 화제가 되었었죠. 저도 그때야 우주가 평평해 진 것을 알고 깜짝 놀라서 소박한 을 포스팅 한 적이 있죠. 전문용어로 말한다면 WMAP의 관측 결과에 의해 표준 우주론은 : 평평한 Λ CDM model 이라고 하는데요. 우주가 우리가 잘 알고 있는 원소들과 암흑 물질 그리고 암흑 에너지로 이루어져 있으며 거의 변하지 않는 단열 가우시안 변동(nearly scale-invariant adiabatic Gaussian fluctuation)을 하고 있다고 합니다. 아무튼 벌써 2년이 지났군요 세월 참 빠릅니다. )

이러한 관측 사실을 바탕으로해서 현재 우리와 인과적으로 연결되어 있는 Local Patch 라고 부르는 부분우주가 팽창하고 있고 유명한 대폭발(Big Bang) 이론과 팽창(인플레이션 inflation)이론으로 설명이 되고 있는데요 이것이 20세기에 이루어 놓은 우주론에 대한 성과의 핵심입니다.

"우주에는 시작이 있다. 우주는 계속적으로 진화한다. 그리고 우리 몸을 이루는 모든 원자들은 우주 최초의 대폭발(빅뱅)과 연결되어 있다. 우리는 단순히 우주에 있는 것이 아니라 우주의 일부이다. 우리는 우주에서 탄생했다. (Tyson의 Origin)"

물론 '사실' 과 '말' 과의 논쟁 이야기가 또 나올 수 있는 부분인데요. '빅뱅'은 우리가 속한 부분우주의 팽창의 시작이었다는 사실에 대한 논의입니다. 제가 우리가 속한 우주를 부분우주(Local Patch)라고 쓴 것은 이런 의미입니다. '빅뱅'은 전체 우주의 시작을 의미하는 것은 아닙니다. 전체우주가 부분우주와 동일 할 수도 있고 전체우주가 부분우주보다 훨씬 큰 개념일 수는 있지만, 현대물리학의 교훈은 이것과 상관없이 현재 우리와 인과적으로 의미있는 물리학이 성립하는 곳이 바로 부분우주라는 것이죠. 이 윗 부분은 인식론적 철학이나 예술의 영역이라고 할 수 있겠습니다.

암튼, 새로운 우주 배경 복사 사진은 다음과 같습니다. 위의 3년간 데이터를 종합한 것과 비교해 보시면 얼마나 더 정밀해 졌는지 확인해 보실 수 있을 겁니다. 붉은색 구역이 온도가 약간 높은 지역이고 파란색 구역이 온도가 낮은 지역입니다. 초기 우주가 이렇게 비등방적인 상태였기 때문에 즉, 대칭이 깨져 있는 상태였기에 우리가 존재할 수 있는 것입니다. 은하의 생성이 가능했던 것이죠.

WMAP 3 Year ILC

그리고 온도 스펙트럼 그래프를 보세요. 빨강색 선이 이론적인 결과이고 점들이 관측치 입니다. 관측이 얼마나 수학적 이론과 정확하게 맞아떨어지는지 정말 경이롭지 않습니까?

추가로 2년간의 정밀한 관측이 더 진행됨에 따라 정밀도가 높아져 오차가 엄청나게 줄어든 것을 볼 수 있습니다. 흔히 말하는 'Cosmological precision era'에 성큼 또 한 발작을 떼었습니다. 이번 결과로 부터 교정된 상수들 중에서 가장 궁금한 우주의 나이와 허블 상수는 다음과 같습니다.




물론 이 결과는 WMAP 뿐 아니라 SuperNova Ia 로 부터 얻은 결과와 또 가장 중요한 증거 중의 하나인 BAO(Baryonic Acoustic Oscillation)의 결과를 종합한 것입니다.

우주의 나이는 137.3 억년에 +_1억 2천만년정도의 미소한 오차를 가지는 정확도를 갖게 되었습니다. 137억년보다는 조금 더 오래되었군요.

궁금해 하실지 모르지만 바리온(양성자, 중성자)의 밀도와 암흑물질의 밀도는 다음과 같습니다.

바리온 밀도 :

암흑물질 밀도 :

우주 배경 복사는 빅뱅 이후 약 38만년 정도의 분리의 시기에 우주가 투명(!) 해 지면서 빛이 우주 전체로 퍼져나간 사건입니다. 아직도 그 빛들은 전 우주에 가득 차 있고 그 빛들인 우주 배경 복사가 당시의 우주가 어떠했는지를 보여주는 것이죠. 이제 또 빅뱅 후에 약 백만년 되었을 때, 우주배경복사가 물질들과 분리되게 되는데요. 이제 별과 은하가 태어나게 됩니다. 이번에 구해진 우주배경복사의 불투명도와 밀도 분산, 허블 상수를 이용해서 우주의 재이온화(reionization)이 일어난 시점을 계산해 보면 다음과 같습니다.


여담으로 이번 결과의 초미의 관심사는 바로 우주밀도장의 비정규성(nonGaussianity)였는데요. 아직 관측되지는 않았습니다. 내공이 약해서 우주론 모형들에 대해서는 extrad님 소개로 앨런 구스의 논문 정도 훑어 본 것이 다 이지만 extrad님 설명에 따르면 이번 결과로 Chaotic Inflation 같은 몇몇 인플레이션 모형들이 솎아질 것으로 보입니다. 라이헨바하의 인식론적인 측면에서 보면 보편력 제거의 원리(the principle of the elimination of universal forces)를 적용받게 된 것이겠죠.

아무튼 자세한 내용은 아래의 링크를 참고하세요. 5년째 데이터들을 이용한 논문들이 올라오고 있습니다.

  • WMAP 5year Data Scientific Papers : 링크


  • 우주론적인 결과 해석 논문은 "Five-Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Cosmological Interpretation E. Komatsu, et.al., submitted" 입니다. 한꺼번에 올라온 7개의 논문들 중 하나로 49장 정도 되는 논문입니다.

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    덧글

    • 로토 2008/03/07 10:58 # 답글

      이오공감타고 왔습니다. 흥미롭게 읽고 갑니다.
    • ExtraD 2008/03/07 11:47 # 답글

      저는 개인적으로 인플레이션 우주모형에 대해 이미 데이터로부터 상당한 제약을 얻을 수 있게 되었다는 부분이 가장 맘에 와닿습니다.

      우주론적 파라메터들의 오차가 줄어든 덕분에 '정밀 우주론'의 시대가 열렸고, 물리학자들과 천문학자들이 할 일이 좀 더 명확해졌다는 의미도 되니까요.
    • MCtheMad 2008/03/07 12:50 # 답글

      헉, 저야말로 오메가가 1로 확실히 규명됐다는 사실을 지금 알았네요!
    • DDAL 2008/03/07 17:23 # 답글

      일반인이 보기엔 암호같은 저 공식들 (...)
    • 돌다리 2008/03/07 18:20 # 답글

      얼 이제 허블상수가 상당히 구체적이 되었군요!

      인생무상
    • freax 2008/03/08 01:14 # 답글

      추성훈의 질문앞에 강호동이 되어버리네요.
      한때는 천체물리학자를 꿈꿔왔지만...ㅠ
    • 유키S君 2008/03/08 14:52 # 답글

      허블상수가 잡히면 얘기 끝인데, 저걸 못구하니 뭐...
    • 남극탐험 2008/03/08 20:40 # 답글

      공대생 손놓은지 1년인데 그저 암호인 공식...
    • 다음엇지 2008/03/08 20:50 # 답글

      -_-;;; 우주론 초보자의 허접한 글이 이오공감에 올라가서 고생했습니다. 방문해 주신 여러분들께 정말 감사드려요!

      ExtraD/ 항상 감사드려요! 덕분에 조금씩이나마 공부해 나가고 있습니다.

      MCtheMad/넵 저도 정말 깜짝 놀랐었답니다.

      DDAL, 남극탐험/ ^^ 공식이 아니라 값이랍니다. 방문 감사 드려요.

      freeax/ 최근이 천문학에서는 굉장히 중요한 순간 입니다. 새로운 소식을 접할 때마다 두근거러요.

      돌다리, 유키/ 허블 상수는 은하까지의 거리와 은하의 후퇴 속도 사이의 비례 상수로 알려져 있습니다만 실제로는 거리와 속도가 시간에 따라 변하고 있기 때문에 시간의 함수이구요. 우주의 팽창 패턴에 대한 이해가 수반이 되어야 합니다.

      그런데 워낙 은하가 멀리 있고 잘 보이지 않기 때문에 측정하기가 무척 어렵습니다. 더구나 우리 은하 자체도 회전하고 있으니까요. 태양은 우리 은하 주위를 초속 215km로 회전하고 있습니다. 이때문에 우주에서 얻을 수 있는 유일한 정보인 스펙트럼이 왜곡되기 때문에 항상 보정을 해줘야 합니다. 측정 기술과 오차가 줄어가고 있으니 아마 점점 정확한 값들이 그때 그때의 우주를 정확하게 기술할 수 있게 될 겁니다. ^^ 전 과학자들을 믿습니다.
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