수십 년 동안 천문학자들은 우주가 가속적으로 팽창하고 있으며, 그 배후에는 정체를 알 수 없는 ‘암흑 에너지’가 존재한다고 믿어왔다. 1998년 멀리 떨어진 Ia형 초신성 관측에서 초신성이 예상보다 어둡게 보인다는 사실은 이를 뒷받침하는 핵심 증거였고 이 발견은 이후 노벨 물리학상으로 이어지며 현대 우주론의 토대를 형성했다.

그런데 최근 한국 연세대학교 이영욱 교수 연구팀을 포함한 여러 국제 연구팀이 발표한 연구는 이러한 정설에 근본적인 의문을 제기하고 있다. 이들은 우주가 더 이상 가속적으로 팽창하지 않으며 오히려 이미 팽창 속도가 둔화되고 있을 가능성을 제시했다. 만약 이 주장이 사실이라면 지난 수십 년 동안 받아들여진 암흑 에너지 이론뿐 아니라 우주의 최종 운명에 대한 전망까지 다시 써야 할 수도 있다.

초신성의 ‘나이’가 근본 가정에 균열을 내다

이번 논쟁의 중심에는 Ia형 초신성이 있다. 그동안 천문학자들은 Ia형 초신성이 일정한 고유 밝기를 낸다고 가정해왔다. 그렇기 때문에 초신성의 밝기 변화는 곧 거리 변화를 의미했고, 이는 우주 팽창 속도를 측정하는 가장 신뢰도 높은 방법으로 사용되었다.

그러나 연세대 연구팀은 300개의 초신성 호스트 은하를 분석한 결과 Ia형 초신성의 밝기가 전구체 별의 나이에 따라 달라진다는 강력한 통계적 상관관계를 발견했다. 즉, 젊은 별에서 폭발한 초신성은 조금 더 어둡고 오래된 별에서 나온 초신성은 더 밝다는 것이다. 이는 초신성의 밝기 변화가 단순히 우주 팽창 때문만이 아니라 초신성 자체의 물리적 특성에서 비롯된 것일 수 있음을 의미한다.

이 새로운 보정을 적용하자, 기존의 표준 우주론 모델(ΛCDM, 람다-콜드다크매터)이 관측값과 잘 맞지 않는다는 결과가 도출됐다. 더 나아가 우주는 현재 가속 팽창이 아닌 감속 팽창 단계에 들어섰을 가능성까지 제기되었다.

DESI 프로젝트와의 일치… 암흑 에너지, 약해지고 있을까?

흥미롭게도 이러한 흐름은 연세대 연구팀만의 해석은 아니다. 2024년 DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument) 프로젝트가 발표한 데이터 역시 암흑 에너지가 시간에 따라 약해지는 듯한 신호를 보인다고 보고했다. 우주의 대규모 구조를 3차원으로 측정한 이 관측은 암흑 에너지가 단순한 ‘우주 상수’가 아닐 수 있다는 가능성을 열어젖혔다.

연세대 팀의 결과와 DESI의 데이터가 일부 방향성을 공유하자 기존의 암흑 에너지 이론이 수정되어야 한다는 목소리가 점차 힘을 얻고 있다. 암흑 에너지가 시간에 따라 진화한다면 우주의 미래는 지금까지 예측해온 ‘영원한 팽창’과는 크게 달라질 수 있다.

그러나 과학계는 들끓고 있다: 비판과 반론

이러한 주장은 기존 모델을 뒤흔드는 만큼 반대 의견도 만만치 않다. 노벨상 수상자인 애덤 리스 교수는 이번 연구의 핵심 가정이 잘못되었다고 지적했다. 그는 초신성의 나이가 시간이 지남에 따라 증가한다는 연구팀의 해석은 관측과 맞지 않으며, 이미 과거에 제안되었다가 반박된 개념이라고 주장한다. 미국 듀크 대학교의 댄 스콜닉 교수 또한 은하의 나이가 초신성 나이로 곧바로 연결된다는 주장에 물리적 근거가 부족하다며 연구의 해석에 의문을 제기했다.

반면, 이영욱 교수팀은 리스 교수의 비판이 관측 사실과 다르다며 맞서고 있다. 현재 우주에서도 Ia형 초신성이 젊은 은하뿐 아니라 오래된 타원 은하에서도 빈번하게 발견되며 나이와 밝기 상관관계는 한국·미국·중국의 독립된 팀들이 각각 확인했다는 것이다.

논쟁은 아직 결론이 나지 않았으며 학계에서는 이번 연구가 우주론계의 핵심 문제인 초신성의 ‘표준 촉광성’을 다시 검토하는 계기가 될 것이라는 전망도 나온다.

우주의 운명은 어떻게 되는가?

만약 암흑 에너지가 약해지고 있고 우주가 감속 팽창 중이라면 먼 미래에 우주는 다시 수축해 ‘빅 크런치(Big Crunch)’로 이어질 가능성도 있다. 이는 지금까지 널리 거론되던 ‘영원한 냉각, 죽음(빅 프리즈)’ 시나리오와는 정반대의 미래다. 물론 이는 아직 극히 조심스럽게 다루어야 하는 가설이며 이를 확정할 만한 관측적 증거는 충분하지 않다.

베라 루빈 천문대가 결정적 단서를 제공할까?

이 논쟁을 종식시킬 열쇠는 곧 관측될 초대형 데이터에 달려 있다. 올해 본격 운영에 들어간 베라 C. 루빈 천문대는 향후 10년 동안 2만 개 이상의 초신성을 발견하고 정밀한 나이 측정을 수행할 예정이다. 이 데이터는 초신성의 나이-밝기 편향 논쟁을 직접적으로 검증할 수 있는 전례 없는 자료가 될 것으로 전망된다.

암흑 에너지 연구, 새로운 국면에 들어서다

우주 팽창에 대한 논쟁은 지금 새로운 전환점을 맞이하고 있다. 새로운 연구는 우리 우주를 지배한다고 여겨진 암흑 에너지와 그 영향에 대해 다시 질문을 던지고 있다.

우주는 정말 가속 팽창을 멈추고 있는가?

암흑 에너지는 시간이 흐르며 변화하는가?

그리고 궁극적으로 우주의 운명은 어떻게 될 것인가?

답은 아직 나오지 않았다. 그러나 과학은 언제나 그렇듯 더 나은 관측과 더 깊은 분석을 통해 점점 진실로 다가갈 것이다. 아마도 앞으로 5년 안에 우리는 암흑 에너지에 대해 지금보다 훨씬 놀라운 사실을 마주할지도 모른다.