웹과 허블이 확인한 우주 팽창 속도

• NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope가 Hubble Space Telescope의 우주 팽창률 측정을 재확인하면서, 기존 Hubble 측정값에 남아 있던 의문이 줄어듦
• 우주 팽창률인 Hubble constant는 우주의 진화와 최종 운명을 이해하는 핵심 매개변수이며, 관측값과 빅뱅 잔광 기반 예측값 사이에는 Hubble Tension이 남아 있음
• 지구에서 약 1억 3000만 광년 떨어진 NGC 5468 이미지는 Hubble과 James Webb 우주망원경 데이터를 결합해 구성됨
• Hubble은 NGC 5468에서 Cepheid variable stars를 식별했으며, 이 은하는 Hubble이 Cepheid 변광성을 확인한 가장 먼 은하임
• Cepheid 기반 거리 측정은 같은 은하의 Type Ia supernova와 교차 검증됐고, Type Ia 초신성은 더 깊은 우주 거리와 팽창률 측정으로 범위를 넓힘

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우주 팽창률과 Hubble Tension

• Hubble constant는 우주가 팽창하는 속도를 나타내며, 우주의 진화와 최종 운명을 이해하는 데 쓰이는 기본 매개변수 중 하나임
• 여러 독립적인 거리 지표로 측정한 Hubble constant 값과 빅뱅 잔광에서 예측한 값 사이에는 지속적인 차이가 있음
• 이 차이는 Hubble Tension으로 불림

Webb가 재확인한 Hubble 측정

• NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope는 Hubble Space Telescope의 우주 팽창률 측정이 맞았음을 확인함
• 이 결과로 Hubble 측정값에 남아 있던 의문이 사라짐

NGC 5468 관측 이미지

• 관측 대상은 지구에서 약 1억 3000만 광년 떨어진 은하 NGC 5468임
• 이미지는 Hubble과 James Webb 우주망원경 데이터를 결합해 만들어짐
• NGC 5468은 Hubble이 Cepheid variable stars를 식별한 가장 먼 은하임

거리 사다리: Cepheid와 Type Ia 초신성

• Cepheid variable stars는 우주 팽창률을 측정하는 데 중요한 거리 표지로 쓰임
• Cepheid로 계산한 거리는 NGC 5468 안의 Type Ia supernova와 교차 검증됨
• Type Ia 초신성은 매우 밝아 Cepheid가 닿는 범위를 넘어선 우주 거리 측정에 활용됨
• 이 방식으로 우주의 팽창률 측정을 더 깊은 우주까지 확장할 수 있음

이미지에 담긴 은하 구조

• 정면에서 본 나선은하가 중심에 놓여 있음
• 네 개의 나선팔이 반시계 방향으로 바깥쪽으로 휘어져 있음
• 나선팔에는 젊고 푸른 별들이 있으며, 보라색을 띠는 별 형성 영역들이 작은 얼룩처럼 흩어져 있음
• 은하 중심은 더 밝고 노란빛을 띠며, 11시 방향에서 5시 방향으로 기울어진 좁고 선형적인 막대 구조가 뚜렷함
• 검은 우주 배경에는 여러 붉은 배경 은하들이 흩어져 있음

[GN⁺]

Hacker News 의견들

• 기사에 나온 우주 거리 사다리는 과학에서 가장 좋아하는 주제 중 하나임
  아주 먼 천체까지의 거리를 어떻게 아는지는 간단하지 않고, 그 역사가 흥미로움
  시작점은 지구와 태양 사이 거리였고, 1672년 Richer와 Cassini가 10% 이내로 접근하기 전까지는 아무도 제대로 몰랐음. 이후 1769년 James Cook의 Tahiti 항해에서 금성 일면통과를 지구 반대편에서 관측하며 더 정확해짐
  그다음 기본 기하학으로 지구가 태양을 공전할 때 가까운 별들이 조금 이동하는 시차를 관측할 수 있지만, 이 방법은 약 1만 광년 정도까지만 통함
  이후 Cepheid 변광성(Henrietta Swan Leavitt, 1908)과 Ia형 초신성(Subrahmanyan Chandrasekhar, 1935)이라는 믿기 힘들 만큼 편리한 천체물리학적 방법이 발견되어 사다리의 몇 단계를 더 올라갈 수 있었고, 더 멀리서는 적색편이와 거리의 관계가 중요해져 우주의 가장자리까지 이어짐
  https://www.uwa.edu.au/science/-/media/Faculties/Science/Doc...

  • “아무도 몰랐다”기에는 기원전 3세기 Aristarchus가 태양이 달보다 18~20배 멀리 있다고 계산했고, 그 결과로 태양중심설을 제안했음
    실제 값은 약 400배지만, 렌즈도 원주율도 없었고 그가 죽은 뒤 1800년 동안 지구중심설이 정설이었던 점을 생각하면 놀라움
    https://en.wikipedia.org/wiki/Aristarchus_of_Samos#Distance_...
    Terence Tao의 우주 거리 사다리 영상도 좋음: https://www.youtube.com/watch?v=7ne0GArfeMs
  • James Cook은 그 항해에서 Endeavour호의 선장이었고, 우주왕복선 Endeavour의 이름도 여기서 왔음
    그래서 셔틀 이름도 영국식 철자를 쓰며, Apollo 15의 사령선 이름도 같은 유래를 가짐. 지난주 ISS에 도착한 SpaceX Crew Dragon도 셔틀을 따라 Endeavour라는 이름을 씀
    셔틀 Endeavour는 California Science Center에 있고, 최근 외부 연료탱크와 부스터까지 함께 “stacked”되어 다시 가까이 접근해 볼 수 있으려면 몇 년 걸릴 듯함. 바로 밑을 걸어갈 수 있었을 때가 훨씬 멋졌음
    Hubble은 발사 당시 거울 제작 오류로 시야가 망가졌는데, 1993년 STS-61 임무의 Endeavour가 이를 고쳤음
  • 이 댓글을 더 깊이 다루고 지난 수천 년을 포괄하는 천문학사 책을 찾고 있었음
    예컨대 1350년쯤 당시 최첨단 천문학이 무엇이었는지 같은 내용을 읽고 싶어서 추천이 있으면 매우 궁금함
  • 이런 단계별 오차 누적이 늘 궁금했음
    관련 과학자들이 각 단계의 오차를 알고 반영하겠지만, 이를 분해해 보여주는 분석을 보고 싶음. 처음엔 Cepheid 변광성 때문에 불확실성이 클 것 같다고 생각했지만, 실제로 얼마나 잘 통제되는지는 잘 모르겠음
  • 프랑스어를 알거나 번역해 볼 수 있다면, 이런 기법들을 일반인 눈높이로 설명하는 좋은 영상이 있음
    https://www.youtube.com/watch?v=FGwmAEMabm4&t=1

• 이 주제의 배경을 간단히 정리하면, 우주의 팽창률인 허블 상수를 알아내는 방법은 적어도 두 가지가 있음
  하나는 초기 우주의 특정 조건에서 비롯된 우주 마이크로파 배경(CMB)의 변동을 이용해 현재 팽창률을 추론하는 방법이고, 다른 하나는 매우 먼 은하들의 거리와 우리에게서 멀어지는 속도를 보고 계산하는 방법임
  이론상 둘은 같은 값을 줘야 함. 처음엔 두 방법의 결과가 달랐지만 오차 막대가 커서 겹쳤고, 더 정밀해지면 공통값으로 수렴할 것이라 기대했음
  하지만 CMB 측정은 67 ± 0.5까지 정밀해졌고, 은하 거리/속도 방법은 73 ± 1까지 갔으며 서로 겹치지 않음. 이 불일치가 허블 긴장이고 우주론에서 가장 골치 아픈 문제 중 하나임
  가능한 설명은 CMB 변동 측정 오류, 먼 은하 거리나 속도 측정 오류, 또는 물리 이해에서 빠진 무언가임. 이번 결과는 Hubble과 다른 파장에서 관측하는 James Webb 데이터를 추가했고, Hubble 측정과 잘 맞음
  하지만 허블 긴장을 해결한 것은 아님. 대신 먼 은하 쪽 결과가 Hubble의 측정 오류 때문이라는 의심을 거의 지워줌. CMB 측정도 꽤 신뢰된다고 보면, 이제는 측정 문제가 아니라 잘못 이해한 물리나 새로 발견해야 할 물리가 있다는 쪽으로 해석될 가능성이 큼

  • 가까운 은하들은 시공간 궤적에서 작은각 근사처럼 보이지만, 아주 멀리 가면 예컨대 CMB 수준에서는 원근 왜곡이 쌍곡선적으로 커지는 것일 수도 있지 않을까?
    Hubble 데이터를 Lorentz 인자로 정규화하면 다시 일정한 팽창률이 나옴: https://www.desmos.com/calculator/llhnja1ocb
  • Hubble은 1935년에 “Humason이 성운의 스펙트럼을 모았고, 나는 거리를 추정하려 했다”고 동료 Milton Humason에 대해 썼으며, 그때까지 150개가 넘는 성운의 스펙트럼이 확보되어 있었음
    Hubble은 은하에 도플러 효과를 적용하는 데 매우 신중했고, 적색편이를 후퇴 속도로 해석하는 데 반대했음. 1953년 둘이 세상을 떠나기 전 해에는 Robert Millikan에게도 적색편이를 우주 팽창으로 보는 해석은 아마 틀렸다고 설득했음
    Hubble은 책 Observational Approach to Cosmology[+]의 끝에서 “후퇴 요인을 버리고, 적색편이가 주로 속도 이동이 아니라면 그림은 단순하고 그럴듯하다. 팽창의 증거도 없고 시간 척도의 제약도 없으며, 공간 곡률의 흔적도 없고 공간 차원의 한계도 없다…”고 썼음
    [+] https://ned.ipac.caltech.edu/level5/Sept04/Hubble/paper.pdf
    출처: https://plasmauniverse.info/people/contributors.html
  • CMB가 빅뱅의 잔광이 아니라, 은하간 먼지의 적색편이된 흑체복사라는 비주류 이론도 있음
    수치상으로는 대략 맞는다고 하고, 주된 지지자는 이를 순환 우주 모델을 정당화하는 데 쓰려는 듯함. 이해가 맞다면, 더 긴 즉 은하 팽창 시간척도를 가진 표준 빅뱅과도 양립 가능해 보임
    어쨌든 물리학은 그 흑체복사가 어떻게 되었는지도 설명해야 함
  • “허블 긴장을 해결하지 않는다”는 점이 중요함
    제목이나 초록에서 이 점을 앞에 명확히 밝혔어야 함. 원문은 “Webb & Hubble confirm Universe’s expansion rate”, “Hubble의 예리한 눈이 계속 맞았음이 확인되어 Hubble 측정에 남아 있던 의심을 지웠다”처럼 써서 마치 해결된 것처럼 보임
    더 정확한 제목은 “Webb이 Hubble의 우주 팽창률 측정을 확인했다” 정도였겠지만, 덜 흥미로웠을 것 같음
  • 공간 자체의 팽창과 그 안의 물체들이 같은 방향으로 표류하는 것을 실제로 구분할 수 있는지 궁금함

• 한동안 허블 긴장을 해결하는 가장 단순한 설명으로 Hubble 망원경의 측정이 틀렸다는 기대가 있었음
  하지만 그렇지 않았고, 오히려 미스터리가 더 깊어짐. 확실히는 모르지만 Hubble의 추정은 꽤 오래전부터 널리 받아들여진 듯하고, 내가 이 주제를 교양 수준으로 공부하기 시작한 이후로 우주의 나이를 138억 년으로 써왔음

  • 서로 모순되는 측정값 그래프가 있음(JWST 데이터는 아직 미포함)
    https://en.wikipedia.org/wiki/Hubble%27s_law#Determining_the...
    캡션: “최근 관측[54]의 측정 불확실성을 포함한 허블 상수 값 ((km/s)/Mpc)”
  • 우주의 나이를 137억 년으로 기억하고 있었는데, 왜 그랬는지 확실하지 않았음
    2003년 초기 WMAP 결과가 137억 년을 지지했고, 이후 결과들이 이를 138억 년 쪽으로 조금 올렸음. 물론 모든 결과에는 오차 막대가 있음

• 예전에도 물어봤지만 좋은 답을 못 받은 것 같아 다시 묻고 싶음
  은하들이 우리에게서 가속해서 멀어지고 있다는 것을 어떻게 아는가? 단순히 더 먼 은하일수록 더 빠르게 멀어져 보인다는 관측을 들어 가속을 의미한다고 하는 경우가 많음
  하지만 가속이 없어도 같은 관측이 나올 수 있지 않나? 우주에 물체들이 지구를 기준으로 무작위 방향과 속도로 움직인다고 하면, 시간이 충분히 지나면 처음엔 우리 쪽으로 오던 물체까지 모두 멀어져 보일 수 있음. 그리고 빠르게 움직인 물체가 가장 멀리 있는 것은 속도의 정의상 당연함
  요컨대 은하들이 가속하지 않더라도, 더 먼 은하일수록 더 빠르게 후퇴하는 모습은 볼 수 있음

  • 더 근본적인 질문은 은하들이 움직인다는 걸 어떻게 아느냐임
    우리가 은하의 속도를 재는 방법은 사실상 적색편이 하나뿐인 것처럼 보임. 그렇게 먼 거리를 삼각측량하는 것은 불가능하고 시간 척도도 장벽이 되므로, 적색편이 계산을 다른 방법으로 확인할 길이 없음
    만약 적색편이가 다른 효과, 예컨대 빛이 수백만 년 동안 공허를 지나며 “열화”되는 현상 때문에 생긴다면 모든 계산이 무효가 됨
    여러 번 물어봤지만 답은 대체로 “빛이 적색편이되는 다른 이유를 모른다”거나 “현재 이론 틀이 일관적이다”는 식이었음. 일관성을 확인할 다른 측정이 없어도 말임
    빅뱅과 관련된 팽창 이론은 아주 먼 은하들이 더 젊기 때문에 조성이 다를 것이라고 예측했는데, 이 예측은 실패하는 듯함. 다만 관측 장비가 발전하면 앞으로 더 정확한 답을 줄 수도 있음
  • 정확히는 은하들이 몇십억 년 전부터 우리에게서 가속해 멀어지기 시작했다고 보는 것임
    그 전에는 멀어지고는 있었지만 속도가 증가하지 않고 감소하는, 즉 감속 팽창 상태였음
    더 먼 은하일수록 더 빨리 멀어져 보인다는 관측은 우주가 팽창한다는 것을 말해주지만, 그 자체만으로 팽창이 가속인지 감속인지 또는 둘 다 아닌지는 알려주지 않음
    팽창률이 시간에 따라 어떻게 변하는지는 은하별로 적색편이, 밝기, 각크기라는 세 관측값의 관계를 비교해서 봄. 우주론자들은 이 관계로 우주의 팽창 역사를 모델링하고, 최근 몇십억 년은 가속 팽창이었고 그 전에는 감속이었다는 결론을 얻음
  • 은하가 가속하는 것이 아니라 공간이 팽창하는 것임
    무작위 방향과 속도를 가진 물체 시나리오라면, 우주 전체에서 물체들 사이 평균 거리는 대체로 정적인 결과가 되어야 함. 무한히 먼 곳에서 무한히 많은 물체가 오므로 항상 주변에 물체가 있어야 하기 때문임
    아마 상자 안에 물체들을 넣고 무작위 벡터를 준 뒤 상자를 없애는 상황을 상상한 듯함. 그러면 모두 원래 상자 경계를 벗어나 서로 멀어지겠지만, 우주는 그런 방식이 아님
    공간이 팽창한다는 주된 근거는 멀어지는 물체의 속도를 적색편이로 측정한다는 점임. 지구에서 같은 거리지만 반대편 공간에 있는 물체들이 거의 같은 측정 속도로 멀어짐
    현재 관측을 설명하는 기존 이론은 공간 팽창 외에는 사실상 없음. 모든 걸 이해했다고 보지는 않지만, 이 특정 측정에서는 의심의 여지가 거의 없음. 공간이 팽창하고, 그 결과 모든 물체가 거리 비례적으로 멀어지는 효과가 생김
  • 그 움직임은 개별 은하의 움직임이 아니라 공간 자체의 팽창으로 해석됨
    우리가 우주 팽창이라고 부르는 적색편이를 설명할 만큼, 은하들이 큰 스케일에서 무작위 방향과 무작위 속도로 움직인다고 믿을 이유는 없음
    제시한 설명이 맞다면 아주 멀리 있으면서 매우 느리게 우리 쪽으로 움직이는 은하도 보여야 하고, 가까이 있으면서 아주 빠른 은하가 원래는 매우 멀리서 출발했을 수도 있어야 함. 물체들이 우리 국소 우주 바깥에서 들어와야 하는데, 그런 일은 일어나지 않음
  • 이 효과는 국소 초은하단 바깥에서만 적용된다는 점이 자주 빠짐
    초은하단 안에서는 중력이 시공간 팽창을 이기고 우리를 붙잡아 둠, 적어도 현재로서는 그렇음

• Dr. Becky가 1년 전 영상에서 팽창률을 재는 두 주요 방법, 즉 우주 마이크로파 배경과 초신성 측정이 서로 다른 결과를 내는 문제를 다룸
  각 방법의 정확도가 올라갈수록 최종 결과는 오히려 더 갈라졌음
  [0] 'theJWST just made the "Crisis in Cosmology" WORSE'
  https://www.youtube.com/watch?v=hps-HfpL1vc&t=858s

  • HN 제목이 기사 내용과 모순되는 게 아쉬움. “confirmed” 때문에 많은 독자가 새로울 게 없다고 보고 건너뛸 수 있음
    개인적으로는 피로한 빛 이론이 사실을 더 잘 설명한다고 보지만, 패러다임 전환이 필요하므로 혁명 전까지 저항이 많을 것임

• 제목은 기사에서 그대로 가져온 것이더라도, “새 데이터는 Webb과 Hubble 망원경이 우주 팽창률에 대해 일치하지만 우주 마이크로파 배경 기반 측정값과는 일치하지 않음을 보여준다”로 바꾸는 편이 나음

  • 너무 김
    제목은 “허블 긴장은 측정 오류 때문이 아닐 가능성이 매우 높다” 정도가 좋겠음
  • 기사 자체도 처음엔 헷갈림
    새 측정이 뭔가를 밝히거나 혼란을 없애는 것 같지는 않고, 이미 있던 Hubble 측정을 확인할 뿐임. 허블 긴장은 여전히 난해한 문제로 남아 있음

• 과학자들이 처음에는 측정 오류로 여겼던 또 다른 흥미로운 불일치가 Axis of Evil임
  1990년대에 발사된 첫 우주망원경 Cosmic Background Explorer(COBE)가 CMB 지도를 만들었는데, CMB가 태양계 평면과 매우 정밀하게 정렬되는 패턴이 포함되어 있었고 우연으로 돌리기 어려웠음. 이는 지구와 태양계가 특별하지 않으며 우주의 어떤 위치도 특별하지 않다는 코페르니쿠스 원리에 어긋남
  과학자들은 COBE 망원경 탓인 이상 현상일 것이라 보고, 다음 우주망원경에서 사라질 것이라 생각했음
  2001년에 발사된 Wilkinson Microwave Anisotropy Probe(WMAP)는 CMB를 더 정밀하고 높은 해상도로 촬영했지만 이상 현상은 그대로였음. 그래도 측정이나 계산에 뭔가 잘못이 있을 것이라고 보고, CMB를 측정할 세 번째 우주망원경에 기대를 걸었음
  2009년에 발사된 Planck Surveyor는 더 정밀한 측정을 했지만 이상 현상은 지금까지도 남아 있음. 그래서 이 이상 현상이 “Axis of Evil”이라는 이름을 얻었고, 우주에 대한 우리의 이해를 거스름

• 허블 긴장과 최근 JWST 측정을 둘러싼 쟁점을 소개하는 Dr. Becky의 16분 영상을 추천함
  일반인에게 문제를 잘 설명해 줌: https://www.youtube.com/watch?v=hps-HfpL1vc
  예전 영상이지만 여전히 유효하고, JWST 발견과 아직 남아 있는 충돌 지점을 잘 소개함

• 20년, 50년, 100년, 500년 뒤 인류는 20~21세기 과학을 지금 우리가 16~17세기를 보듯 돌아볼 것이라고 1000% 확신함
  일부는 대체로 맞았겠지만, 대부분은 부정확하거나 불완전하거나 이전 모델에서 나온 상상에 가까웠다고 보게 될 것임
  항상 그래왔고 이번에도 다르지 않을 듯함. 매 시대 사람들은 우주를 거의 완전히 이해했다고 생각했음. 20세기 초에도 과학이 대체로 완성됐다고 여겨졌다는 글을 읽은 기억이 있는데, 상대성이론과 양자물리학을 생각하면 결과는 다들 앎
  개인적으로는 우주가 겨우 150억 “년”도 안 됐다는 생각을 받아들이기 어렵음. 그때 큰 우주적 사건, 즉 BANG이 없었다는 뜻은 아니지만, 그것이 “모든 것의 시작”이었다고는 생각하지 않음. “신이 우주를 창조했다”식 사고와 매우 비슷하게 느껴짐

  • 물론 최전선은 언제나 지저분함
    과학자들이 “쿼크”나 “암흑 에너지”를 말하지만, 이는 “무엇을 하는지는 어느 정도 알지만 실제로 무엇인지는 모른다”는 자리표시자에 가까움
    100년이나 500년 뒤에는 양자역학과 일반상대성이론도 더 깊은 이론의 근사나 그림자로 드러날 것임. 하지만 그렇다고 그 예측이 미친 듯이 정확하다는 사실은 바뀌지 않음
    현실에 대한 이해는 그냥 앞으로만 가는 게 아니라, 실제 진리에 점근적으로 가까워지고 있음. 새 이론이 개념 틀을 뒤집을 수는 있어도, 결국 소수점 자리를 더하는 방식이어야 함. 그렇지 않으면 기존 이론보다 못한 이론이 됨
  • 왜 그렇게 생각하는지 궁금함
    더 나은 숫자로 “대략 200억 년” 정도를 말할 수는 있겠지만, “진짜 숫자”가 1000억 년이나 500억 년을 넘기 어렵다는 점은 꽤 분명해 보임

• 우주 거리 사다리에 관심 있다면 David Butler의 YouTube 시리즈 “How far away is it?”가 훌륭함
  우주 거리 사다리를 따라 거리를 추정하는 방법, 역사, 예시를 자세히 다루며 강력 추천함
  https://www.youtube.com/playlist?list=PLpH1IDQEoE8QWWTnWG5cK...