암흑에너지는 현대천문학에서 가장 논쟁적인 부분 중 하나입니다.
오래된 정상우주론과 팽창우주론 패러다임과 관계가 있기 때문이죠. (아직 정상우주론을 지지하는 학자들이 상당수 있습니다.)
암흑물질에 비해 암흑에너지는 있는지 없는지도 모르고 검출되는것도 아니라 아직도 암흑에너지에 대해 뭔가 확신할 수 없는 상황입니다.
그래서 여기서는 암흑에너지가 제시된 배경과 제가 군대 간 해 노벨상을 탄 펄뮤터, 슈미트, 리즈의 관측적 증거에 대해서
학부 2~3학년 수준까지만 다루겠습니다.
암흑에너지를 이해하려면 임계밀도와 프리드먼 방정식부터 시작해야 합니다.
임계밀도는 우주가 위상학적(공간적)으로 평탄하기 위한 조건으로 이 값을 1로 놓고, 환산하면 10^(-29)g/cm^3이 됩니다.
그런데 임계밀도가 1에서 조금만 벗어나도 우리 우주는 순식간에 찌그러지거나 찢어져서 없어져 버립니다. 즉, 우주 전체를 놓고 봤을때
모든 관측적 결과는 임계밀도 1을 만들어 줘야 합니다. 이것은 우주배경복사의 관측적 결과로도 확인된 사실입니다.
(그러니까 공간이 구부러져서 그 사이를 잇는다는 웜홀은 헛소리라는 소립니다.)
또한 왜 하필 우주의 밀도가 임계밀도 1을 유지하는가 하는 해묵은 논쟁이 있지만 여기서는 다루지 않겠습니다.(이것을 평탄성의 문제라고 합니다)
프리드먼 방정식은 우주의 운명에 대한 방정식으로, 간단히 말해 상대론과 인력, 척력, 보존(boson아님)이 고려된 미분방정식입니다.
출처 : 위키피디아
우주론을 연구하려면 이 방정식을 주구장창 풀어야 됩니다. 이 방정식은 앞서 말씀드린 우주의 곡률과 우주상수 Λ조건에 의해 11가지 형태의
해가 나오는데, 평탄성 조건(k=0)에 의해 3가지 해로 압축됩니다.
11가지의 해를 보시고 싶으시면 여기서 보시면 됩니다. http://rqgravity.net/LargeScaleStructure#FriedmannModels
우주상수는 진공에너지 밀도를 말합니다만 간단히 말해서 척력이 있는가 없는가 하는 문제입니다.
우주상수가 0이면 열린 우주가 되고 양수이면 가속팽창, 음수이면 감속팽창하다가 Big Crunch를 일으킵니다.
이때 우주상수의 값을 주는 것이 암흑에너지의 존재입니다. 따라서 프리드먼 방정식만 있으면 어떤 물질 대 암흑에너지 비율을
가지고도 우주의 미래에 대한 모델링이 가능하며, 관건은 이 비율을 어떻게 관측하느냐 하는 문제로 넘어옵니다.
즉, 암흑에너지의 관측적 증거를 발견했을 때, 그것이 프리드먼 방정식의 모델과 맞다면 암흑에너지를 발견했다고 할 수 있는 것이죠.
이 연구를 통해 노벨상을 받은 것이 펄뮤터, 슈미트, 리즈입니다.
이들은 아주 먼 외부은하에 있는 Type Ia 초신성의 밝기를 Standard Candle로 사용해서 외부은하까지의 거리를 특정한 다음,
그 외부은하의 적색편이가 허블의 법칙으로 계산한 결과와 얼마나 차이가 나는지를 연구했습니다.
만약 우주가 가속팽창을 한다면 과거에는 허블상수가 지금보다 작았을 것이므로, 초신성의 밝기는 허블의 법칙에서 계산한 외부은하의
거리에 비해 밝을 것이고, 감속 팽창을 한다면 반대의 결과가 나올 것입니다. 이 차이를 Hubble Residual이라고 하는데,
Hubble Residual 값이 0.2정도가 나오면 물질 대 암흑에너지 비율이 0.27:0.73이라는 예측과 맞아 떨어집니다.
실제로도 그렇게 나왔고 이들은 암흑에너지의 발견자로 인정받을 수 있었습니다.
(http://ned.ipac.caltech.edu/level5/March08/Frieman/Frieman3.html 에서 Figure4를 참조)
하지만 이 결과는 아직 논쟁적인데, 왜냐하면 Type Ia 초신성의 광도진화가 있는지가 아직 확실하지 않기 때문입니다.
일반적으로 우주는 시간이 지남에 따라 중원소 함량이 높아져서 항성진화이론에 따라 점점 어두워지고 붉어집니다.
즉, 과거의 초신성은 지금의 초신성보다 더 밝을 수 있다는 것이죠.
따라서 초신성도 이런 양상을 보일 것으로 예측하는 천문학자들이 있고, 광도진화가 있다면 그에 의한 Hubble Residual 값이 약 0.1정도일 것으로
예상하고 있습니다. 그렇다면 노벨상을 받은 결과는 아직 불확실한 것이 되는거죠. 그래도 이들의 결과는 95%이상 신뢰도를 가지고 있다고 합니다.
