제5장: 우주 상수에 관하여 (9)
중력 상수, 허블 텐션, 우주 팽창률, 중력파, 척력, 인력
그림 34*은하의 중력과 블랙홀의 크기, 빛의 크기/세기에 따라 암흑의 헤일로(Dark Halo/얼음의 크기)가 형성될 것이다. 중력이 강하고, 빛의 크기가 크고 세기가 강하다면 더 넓고 강한 Dark Halo를 형성하는 것인데, 여기서 이 Dark Halo는 빛의 발산에 의한 암흑 에너지의 응집력으로 발산되는 만큼 빛 질량으로 파악되는 은하의 크기보다 훨씬 큰 크기를 갖게 된다. 또한, 이 암흑 헤일로는 은하를 중심으로 암흑이 빛의 물질들을 가둔 얼음과 같은 만큼 그 주위에 얼음의 질량에 따른 중력으로 인한 중력렌즈 효과가 나타나게 된다.
*은하의 중심부로 갈수록 더 많은 암흑 물질들이 수축된 만큼 강력한 압력이 작용하게 된다. 이는 은하의 중심부에는 더 강력한 암흑의 인력이 작용하게 되는 것으로 항성들은 블랙홀의 조석력에 의해 찢기지 않은 채 은하의 핵(블랙홀) 근처에 존재할 수 있게 된다.
*기존에 관측된 블랙홀들의 초과 질량과 Cuspy Halo Problem/Core-Cusp Problem에 관해
그림 35위 사진은 M87 은하 중심의 초거대 질량 블랙홀로서 지난 2019년 역사상 처음으로 인류가 관측에 성공한 블랙홀이다. 당시 관측을 통해 천문학자들은 M87 블랙홀 질량이 태양 질량의 65억 배 무겁다고 추정했는데, 이는 은하 속 별들의 움직임에 비해 훨씬 더 무거운 블랙홀이 존재함을 의미한다. 이 블랙홀은 이론적 예측치보다 태양 질량의 20억 배 정도 더 무거운 무게를 갖고 있는 것인데, 이 초과 질량은 위에서 설명했던 암흑 물질로서 설명될 수 있다. 위에서 블랙홀은 빛의 물질과 함께 암흑 물질을 흡수하면서 자신의 크기를 더욱 증가시키기에 빛으로 관측되는 블랙홀의 질량보다 훨씬 더 큰 질량을 가질 수 있는 것이다. 여기서 중력에 따라 최대한 모이려는 빛과 퍼지려는 암흑의 상반된 특징으로 인해 블랙홀을 이루는 암흑과 빛의 비율은 분명 1:1 중첩과 얽힘의 관계를 이루면서도 4차원 시공간의 특징상 다를 수 있다.
실제로 M87의 중심에 있는 암흑 물질의 양은 그 크기에 비하면 매우 적은데, 이론적으로 갖고 있어야 할 암흑물질에 비해 태양 질량의 20억 배 적은 것으로 관측된다. 이는 M87 은하 중심에 있던 암흑 물질이 블랙홀로 흡수된 것을 시사한다.
여기서 현대 과학은 한 가지 문제를 제기한다. 현대 과학이 알고 있는 모든 천문학적인 지식들을 동원하여 이루어지는 우주 생성 시뮬레이션에 따르면 은하 중심부로 갈수록 중력에 따라 암흑 물질이 많이 모여 있는 분포를 보인다.
그림 36위의 그림은 Navarro-Frenk-White(NFW) profile이라고 불리는 것으로 시뮬레이션으로 만들어진 안정적인 은하들의 암흑 물질 헤일로 분포에 대한 내용을 담고 있다. 위의 그래프와 수식에 따르면 은하 중심으로 갈수록 암흑 물질의 양이 많아지는 것을 알 수 있다. 그러나 실제 관측되는 은하들의 암흑 물질 분포는 NFW profiled에 비해 더 완만하다.
그림 37위의 그래프가 실제로 관측되는 암흑 물질의 분포로서 은하 중심으로 갈수록 완만하게 증가되는 것인데, 이는 현재 ‘Cuspy Halo Problem/Core-Cusp Problem’라고 불리는 현대 천문학계의 대표적인 난제이다. 그리고 이 난제에 대해 4차원 시공간 순환파에서 증명되는 암흑 물질의 특징은 다음과 같은 해답을 제시한다.
암흑 물질은 중력에 의해 모이면서도 최대한 퍼져 있으려는 특징을 갖고 있는 것으로 마치 얼음 분자 구조와 같이 형성된다고 했다. 이는 은하 중심으로 갈수록 강한 중력에 의해 암흑물질이 뭉치면서도 최대한 퍼져 있으려는 성질/반발력이 강해져 점점 뭉치기 어려워지게 됨을 의미한다. 이는 CERN 실험에서 양자들을 빛의 속도로 가속시킬 때 초기에는 보다 작은 에너지로도 크게 속도를 증가시킬 수 있었지만 속도가 빨라질수록 더 많은 에너지를 써도 과거보다 더 작게 속도를 증가시킬 수 있는 것과 같다. 즉, 위의 4차원 시공간 순환파로서 정의되는 암흑 물질은 블랙홀의 초과 질량과 Cuspy Halo Problem/Core-Cusp Problem를 해결하는 것이다.
과학 내용 참조 : https://m.post.naver.com/my/series/detail.nhn?seriesNo=351775&memberNo=30808112&prev
*중력 상수의 변화와 암흑/빛의 순환적 상호작용
중력은 질량이 가지고 있는 시공간의 왜곡률로서 암흑과 빛의 질량이 1:1로 중첩되어 이루고 있는 현상이다. 위의 암흑과 빛의 순환적 상호작용에 따라 우리 태양계도 ‘하나’의 시공간 왜곡을 형성하고 있으며 우리가 지금 느끼고 있는 중력을 같이 형성하고 있는 것이다. 이는 암흑과 빛의 각각의 순환적(서로 상반된 형태와 움직임을 가진) 변화로 인해 중력은 단순히 눈에 보이는 질량에 따라 변화되는 것이 아닌 질량에 따른 중력을 정의하는 중력 상수 자체도 변화될 수 있음을 의미한다. 암흑과 빛이 ‘하나’의 순환을 이루면서 형성되는 중력은 순환의 특징상 어떤 절대적인 기준에서 존재하는 것이 아니라 암흑과 빛의 1:1 상호작용에 의해 계속해서 변화됨을 의미하기 때문이다. 기본적으로 암흑과 빛이 그 어떤 변화 없이 상태를 유지하는 상황(지금 우리 태양계와 같은 상황)에서의 중력 상수를 1로 본다면 중력 상수가 높아질 상황은 바로 질량은 그대로인 상황에서 빛의 세기가 매우 강했을 때가 된다. 또는, 주변에 존재하는 질량의 빛이 굉장히 강하고 크게 발산되었을 때도 중력상수는 변화될 수 있다. 중력은 장으로 형성되는 만큼 한 위치의 중력 상수의 변화는 주변의 중력 상수에도 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 그리고 빛의 세기와 크기가 에너지 소진과 안정화로 인해 점점 줄어들면서 1:1로 중첩되어 있는 암흑 에너지의 압력도 같이 줄어들게 되고 중력 상수는 감소하게 되는 것이다. 여기서 중력 상수는 근본적으로 위치가 고정된 질량에 크게 치중되어 있는 만큼 극한의 에너지 변화가 아닌 이상 중력 상수에 큰 영향을 주지는 않는다.
그림 38위의 그래프는 우리 은하가 형성하고 있는 중력상수의 변화 값을 과거부터 현재까지 보여주고 있다. 중력 상수가 미세하게 변했다면 폭발 직전가지 버틸 수 있는 임계 질량이 조금씩 달랐을 것이기에 초신성들의 최대 폭발 밝기에 영향을 줄 것이다. 이를 바탕으로 학자들은 la형 초신성들의 밝기와 별도로 구한 각 초신성의 거리를 비교했고, 이를 토대로 중력 상수의 변화를 의미하는 그래프를 만든 것이다. 보면 중력상수는 110억 년 전부터 꾸준히 감소하다가 60억 년 전쯤부터 다시 미세하게 커져 지금의 중력 상수를 이루고 있다. 이를 지금까지의 내용을 토대로 설명해보면 다음과 같다.
은하가 막 형성되기 시작할 당시 매우 강렬한 빛들이 요동치고 퍼져 나가고 있는 상황에서 암흑 에너지는 빛과 훨씬 강하게 상호작용했다. 이는 질량이 가진 중력 상수에 강렬한 에너지로서 존재하는 높은 중력 상수를 더했고, 우리 은하는 지금보다 더 높은 중력상수를 형성했다. 그 후 시간이 흘러 블랙홀을 중심으로 각자 항성계를 형성하게 되면서 은하의 강렬한 빛은 어느 정도 자리를 잡고 자신의 빛을 유지시키는 상태에 접어들게 된다. 그러자 초창기 은하의 강력한 빛으로 모여들었던 암흑 에너지가 조금씩 세기가 약해지는 빛에 따라 은하에서 빠져나가기 시작했다. 에너지에 의한 중력 상수가 은하의 안정화와 함께 천천히 줄어들게 된 것이다. 여기서 암흑 에너지는 암흑물질과의 상호작용에 따른 것으로서 물질과 에너지가 가지고 있는 관성의 법칙을 그들도 동일하게 갖고 있다. 즉, 한동안 끊임없이 이어진 암흑에너지의 빠져나감은 연쇄적인 움직임 속에서 빛의 세기와 양에 부합되었음에도 한동안 지속된 것이다. 그러다가 은하가 가진 빛과 중력에 의해 (주변의) 팽창된 공간에서 암흑 에너지가 은하 중심으로 모이는 힘에 의해 퍼져 나가는 암흑에너지는 점점 그 힘이 빠르게 감소하게 된 것이다. 그러다 어느 순간 그 힘이 역전되었고 조금의 조정을 거쳐 현재와 같은 중력 상수를 이루게(고정하게) 된 것이다.
이러한 점을 봤을 때 중력 상수는 빛의 공간과 암흑의 공간이 뚜렷하게 나눠져 있는 은하의 단위에서 조금씩 다를 수 있다. 각 은하의 시간과 공간에 따라 중력 상수는 다를 수 있는 것이다. 그리고 실제로 2021년 우리 은하 바로 옆에 있는 대마젤란 은하의 중력 상수가 조금 다를 수 있다는 과학적 결과가 발표되었다. 대마젤란 은하에서 적용되는 중력의 세기가 태양계에서의 중력 세기에 비해 최대 7%까지 더 약할 수 있다는 결과가 나온 것이다.
그림 39마젤란은하에서 잰 중력상수와 태양계에서 젠 중력 상수의 비율이 1보다 작다.
이는 중력 상수(G)가 고정된 값이 아니라 시공간에 따라 변화되는 스칼라 장으로 불려야 함을 의미한다. 이는 케플러 법칙/공식 등과 같이 중력을 고려하면서 거시적인 우주의 형태와 움직임을 설명하고 있는 것이 결코 모든 상황에서 완벽하게 들어맞을 수 없음을 의미한다. 암흑과 빛의 에너지와 물질이 느끼는 중력이 다르며 엄연히 빛 에너지는 암흑 에너지와 따로 상호작용할 수 있는(형성할 수 있는) 중력 상수가 존재하는 것이다. 그리고 에너지와 물질은 시간과 공간으로서 시공간을 이루므로 서로 순환적 상호작용을 이루는 것이다.
이는 고정된 중력 상수 값을 적용하고 있음으로써 발생된 허블 텐션(Hubble Tension)을 설명해준다. 허블 텐션이란 우주 팽창 이루 점점 멀어지는 은하들의 움직임을 기반으로 측정한 우주 팽창률과 빅뱅 직후 우주 전역에 고르게 식어버린 빅뱅의 잔열(우주 배경 복사)로 측정한 우주 팽창률이 다른 것을 의미한다. 그리고 이는 4차원 시공간 순환파에 의하면 당연한 것이 된다. 은하들의 움직임을 기반했다는 것은 순환파에게 있어서 (중력의 영향을 공유하는) 반물질/물질 시공간 파동만이 보여주는 모습만을 고려하여 우주 전체의 형태와 움직임을 정의한 것과 같기 때문이다. 또한, 우주배경복사는 우주 전체에 퍼져 있는 에너지(빛/암흑)를 분석한 것으로서 (중력의 영향을 공유하는) 빛/암흑 시공간 파동만이 보여주는 모습만으로 우주 전체의 형태와 움직임을 정의한 것이다. 이러한 이유로 인해 아래 그림과 같이 각각이 나타내는 우주 팽창률은 다를 수밖에 없는 것이다.
그림 40위 그림을 보면 시대가 흐르면서 좀 더 정밀한 측정방법으로 관측된 자료로 분석한 결과가 더욱 분명한 값의 차이를 만들고 있음을 알 수 있다. 이를 통합한 하나의 우주 팽창률을 알기 위해서는 암흑 에너지/물질과 빛 에너지/물질이 ‘하나’로서 공유하고 있는 중력(파)을 통해 알 수 있을 것이다. 그리고 실제로 최근에 중력파를 통한 팽창률 측정이 이루어졌는데 그 결괏값이 우주배경복사 방식과 은하 거리 측정 방식으로 측정한 값의 범위를 모두 포함했다. 이는 중력파가 확실히 두 개로 나누어진 팽창률을 하나로 결정지을 수 있는 능력을 가지고 있다는 것과 중력파를 활용한 방식의 정밀도가 점점 좋아진다면 보다 분명한 단 하나의 팽창률 값을 알 수 있을 것임을 의미한다. 여기서 이 팽창률은 우주 전체의 상태를 나타내는 만큼 순환(파)의 특징에 따라 고정된 상수가 아닌 중력상수와 마찬가지로 시공간에 따라 변화되는 값이 된다. 이에 관한 추가적인 내용은 뒤에서 바로 이어진다.
그림 41참고 자료: https://post.naver.com/viewer/postView.naver?volumeNo=34424451&memberNo=30808112 (왜 la형 초신성을 기준으로 했는지, 대마젤란 은하와 지구에서 측정한 중력 상수를 어떻게 비교했는지에 대한 설명이 나와 있다.)
https://www.youtube.com/watch?v=eEOnnf95fLk (Hubble Tension에 관하여)
