우주의 모든 것을 왜소하게 만들 수 있는 거대한 호

거대한 초은하단의 발견은 우주에 대한 우리의 이해에 도전하고 있습니다. 2021년 영국의 박사과정 학생인 알렉시아 로페즈(Alexia Lopez)는 먼 퀘이사에서 오는 빛을 분석하던 중 놀라운 발견을 했습니다.

그녀는 목자 목동 자리에서 93억 광년 떨어진 거대하고 거의 대칭적인 호의 은하를 발견했습니다 . 33억 광년에 걸쳐 있는 이 구조는 관측 가능한 우주 반경의 무려 1/15입니다. 지구에서 볼 수 있다면 하늘에 떠 있는 보름달 35개 정도의 크기가 될 것입니다.

자이언트 아크로 알려진 이 구조는 우주에 대한 몇 가지 기본 가정에 의문을 제기합니다. 우주에 대한 우리의 이해가 기반이 되는 이론인 우주론의 표준 모델에 따르면 물질은 우주 전체에 다소 고르게 분포되어야 합니다. 과학자들이 우주를 매우 큰 규모로 볼 때 눈에 띄는 불규칙성이 없어야 합니다. 모든 것이 모든 방향에서 동일하게 보여야 합니다.

그러나 자이언트 아크가 그러한 종류의 유일한 예는 아닙니다. 이 거대한 구조는 이제 과학자들로 하여금 우주가 어떻게 진화했는지에 대한 그들의 이론을 재평가하도록 강요하고 있습니다.

Lopez는 영국의 Central Lancashire 대학에서 석사 학위를 공부하고 있었는데, 그녀의 상사가 우주의 대규모 구조를 분석하는 새로운 방법을 사용할 것을 제안했습니다. 그녀는 엄청난 양의 빛을 방출하는 먼 은하인 퀘이사를 사용하여 은하를 둘러싼 가스 구름의 확실한 신호인 이온화된 마그네슘의 신호를 찾았습니다. 빛이 이 이온화된 마그네슘을 통과하면 특정 주파수가 흡수되어 천문학자들이 감지할 수 있는 고유한 빛 '서명'을 남깁니다.

"저는 알려지고 문서화된 은하단을 조사한 다음 마그네슘 II 방식 으로 이러한 영역이 어떻게 생겼는지 플로팅하기 시작했습니다 ."라고 Lopez는 말합니다. "내가 본 한 클러스터는 매우 작았지만 마그네슘 II에 플롯했을 때 시야 전체에 걸쳐 흥미로운 조밀한 마그네슘 흡수 밴드가 있었습니다. 이것이 내가 그것을 발견하게 된 방법입니다. 그것은 행복한 사고였고 저는 그것을 발견한 것이 나였다는 것이 그저 운이 좋았을 뿐이야."

로페즈의 '행복한 사고'가 밝혀낸 사실은 놀라웠다. 목동자리를 바라볼 때, 각각 적어도 하나의 은하와 관련된 45~50개의 가스 구름 클러스터가 33억 광년에 걸쳐 호를 그리며 배열하는 것처럼 보였습니다. 관측 가능한 우주의 폭이 940억 광년 이라는 점을 감안하면 상당한 크기입니다 .

 

이 거대한 구조는 이제 과학자들로 하여금 우주가 어떻게 진화했는지에 대한 이론을 재평가하도록 강요하고 있습니다. (Credit: Standret/Getty Images)

Lopez의 기사에 따르면, 그러한 거대한 구조가 우연히 생겨날 수 있었을 가능성은 극히 낮습니다(단지 0.0003%의 확률). 그것은 우리가 현재 설명하지 않는 우주의 자연 물리학의 무언가로 인해 형성되었을 수 있음을 시사합니다. 그녀의 발견은 우주가 어떻게 시작되고 진화했는지에 대해 우리가 가지고 있는 가장 좋은 설명인 표준 우주론 모델의 중심 측면에 직접 도전합니다.

우주론적 원리로 알려진 이 측면은 큰 규모에서 우주는 당신의 위치나 당신이 보고 있는 방향에 상관없이 모든 곳에서 거의 동일하게 보여야 한다고 말합니다. 거대한 구조물이 없어야 하며 공간은 매끄럽고 균일해야 합니다. 이것은 연구원들이 우리가 우리의 구석에서 본 것에 기초하여 전체 우주에 대한 결론을 도출할 수 있게 해주기 때문에 편리합니다. 그러나 빅뱅 이후 우주가 바깥쪽으로 확장되면서 동시에 모든 방향으로 물질을 던진다는 것도 의미가 있습니다 .

또 다른 문제가 있습니다. 표준 모델에 따르면 Giant Arc와 같은 구조는 형성할 시간이 없었을 것입니다.

이 크기의 구조를 만드는 데 수십억 년이 걸릴 것입니다 – Subir Sarkar

"우주에서 구조가 어떻게 형성되는지에 대한 현재의 아이디어는 중력 불안정성으로 알려진 과정을 통해 이루어집니다."라고 옥스퍼드 대학의 이론 물리학 교수인 Subir Sarkar는 말합니다.

빅뱅 이후 약 100만년 후, 우주가 팽창하고 있을 때 밀도의 작은 변동으로 인해 물질 조각이 서로 뭉쳐졌습니다. 수십억 년에 걸쳐 중력에 의해 결국 이 덩어리가 별과 은하를 형성하게 되었습니다. 그러나 이 프로세스에는 크기 제한이 있습니다 . 약 12억 광년보다 더 큰 것은 단순히 형성하기에 충분한 시간이 없었을 것입니다.

"구조를 형성하려면 중력 붕괴가 발생할 수 있도록 입자가 서로 가까이 모일 필요가 있습니다."라고 Sarkar는 말합니다. "이러한 입자는 구조 외부에서 이동해야 합니다. 따라서 구조가 5억 광년이면 빛이 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동하는 데 5억 년이 걸립니다. 그러나 우리가 말하는 입자는 대략 빛보다 훨씬 느리게 움직이기 때문에 이 크기의 구조를 만드는 데 수십억 년이 걸릴 것이고 우주는 약 140억 년 동안만 존재했습니다."

목동 목자(Boötes the Herdsman)는 약 33억 광년에 걸쳐 거대한 원호 은하를 포함하고 있는 것으로 밝혀졌습니다. (Credit: Allexxandar/Getty Images)

로페즈가 발견한 자이언트 아크는 천문학자들이 발견한 유일한 대규모 구조물이 아닙니다.

Margaret Geller와 John Huchra가 1989년에 발견한 은하의 "만리장성" (CfA2 만리장성이라고도 함)이 있습니다 . 벽의 길이는 약 5억 광년, 너비는 3억 광년, 두께는 1500만 광년입니다.

더 큰 것은 Sloan Great Wall 입니다. 거대한 은하 벽으로 형성된 우주 구조로 2003년 Princeton University의 J Richard Gott III와 Mario Juric 및 동료들이 발견했습니다. 그 벽의 길이는 거의 15억 광년입니다.

우리는 그것을 계산하고 나서 깨달았습니다. '어, 이것이 우주에서 가장 큰 것' - Jon Hakkila

지난 10년 동안 이 거대괴수의 발견은 더욱 가속화되었습니다. 2014년 과학자들은 우리 은하가 있는 은하 집단인 라니아케아 초은하단을 발견했습니다. Lanaikea는 5억 2천만 광년에 걸쳐 있으며 대략 1억 개의 태양 질량을 포함하고 있습니다 . 그런 다음 2016년에 폭이 10억 광년이 넘는 은하의 복합체인 BOSS 만리장성이 발견되었습니다. BOSS는 중력이 4개의 초은하단으로 끌어당긴 830개의 개별 은하로 구성되어 있습니다. 은하들은 뜨거운 가스의 긴 필라멘트로 연결되어 있습니다. 2020년에는 14억 광년에 달하는 남극 장벽 도 목록에 추가되었습니다.

그러나 이러한 구조물 중 가장 큰 구조물에 대한 현재 기록 보유자는 Hercules-Corona Borealis 만리장성 입니다 . 2013년에 발견된 이 성운은 100억 광년에 걸쳐 있으며 이는 보이는 우주 크기의 10분의 1 이상입니다.

물질이 뭉치기 시작하면서 은하계는 빅뱅 이후 약 백만 년 후에 형성되기 시작했습니다. (Credit: Pixelparticle/Getty Images)

헌츠빌에 있는 앨라배마 대학의 물리학 및 천문학 교수인 존 하킬라(Jon Hakkila)는 "우리는 그것을 계산한 다음 '어, 이것이 우주에서 가장 큰 것'이라는 것을 깨달았습니다."라고 말했습니다.

그들의 우려는 정당했습니다. Hakkila와 Lopez는 결과가 우연에 의한 것이 아님을 증명하기 위해 다양한 통계 테스트를 수행했습니다. Giant Arc의 경우 결과의 신뢰 수준은 99.9997%입니다. 과학 연구에서 통계적 유의성에 대한 황금 표준은 5-시그마로 알려져 있으며, 이는 결과가 우연히 발생할 확률이 약 350만 분의 1에 해당합니다. 자이언트 아크는 4.5 시그마의 의미에 도달했으므로 구조가 별의 우연한 배열일 가능성은 여전히 ​​남아 있습니다.

"우리의 눈은 패턴을 보는 데 매우 능숙합니다. 구름에서 이니셜을 볼 수 있지만 실제 구조는 아닙니다. 마음은 실제로 무작위에 구조를 부과합니다."라고 Sarkar는 설명합니다. "하지만 이 상황에서는 그렇지 않다고 생각합니다. 진정한 물리적 슈퍼클러스터 체인이라고 생각합니다."

모델이 조정되어야 했던 것은 이번이 처음이 아닙니다.

자이언트 아크와 헤라클레스-코로나 보레알리스 만리장성 같은 더 많은 구조가 존재한다는 것이 입증된다면 천문학자들은 우주론의 표준 모델을 다시 쓰거나 최소한 수정해야 할 것입니다.

모델이 조정되어야 했던 것은 이번이 처음이 아닙니다. 1933년 캘리포니아 공과대학의 과학자 프리츠 츠비키(Fritz Zwicky)는 은하단의 질량을 측정했고 그가 예상했던 것보다 그 수가 적다는 것을 발견했습니다. 사실 그 질량은 너무 작아서 은하들이 떨어져 나가 은하단의 중력을 피해야 했습니다. 그러므로 다른 어떤 것이 은하단을 한데 묶어주어야 합니다.

이 "무언가"는 우주의 27%를 구성하는 것으로 생각되는 신비한 물질인 암흑 물질입니다. 그런 다음 1998년에 두 개의 독립적인 천문학자 팀이 우주의 팽창을 측정하고 속도가 빨라지고 있음을 발견한 후 이 모델은 암흑 에너지를 포함하도록 추가로 조정되었습니다 .

어느 쪽이든 앞으로 몇 년 안에 확실히 알게 될 것입니다. 남쪽 하늘에 대한 계획된 10년 조사 인 LSST(Legacy Survey of Space and Time)는 천문학자들에게 우주에 대한 전례 없는 관점을 제공할 수 있습니다.

"특히 사람들이 자신의 삶과 경력을 그것에 투자했을 때 패러다임 변화를 일으키는 데 많은 시간이 걸리지만 궁극적으로 우리는 과학을 통해 누가 옳은지 확인해야 합니다."라고 Sarkar는 말합니다.