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내용요약
지난 십 여 년 간 우주에 대한 새로운 이해가 진전되었고, 천문학 관측을 통해서 거대자료를 생산하기 시작하면서, 우주론적인 스케일에서 기초과학을 검증할 수 있는 소중한 기회가 열리기 시작했습니다. 이러한 기회를 계기로, 우리는 우주의 초기 조건을 발견하고 미래의 운명을 예측할 수 있는 가능성을 제공하고, 보이지 않는 암흑물질의 정체를 규명하며, 아인슈타인의 중력이론을 넘어서야 이해할 수 있는 우주가속 팽창의 원인을 알 수 있게 되었습니다. 차세대 심우주 광시야 전천 탐사 계획은 팽창하는 우주에 담긴 이러한 천문학적 난제들을 해결하는 실마리를 제공할 것으로 기대되고 있습니다. 천문(연) 우주론 그룹은 현재 기획되고 있는 전천탐사 중에사 가장 방대하고 정밀한 것으로 알려져 있는 분광 광시야 실험인 DESI (Dark Energy Spectroscopy Instrument), 측광 광시야 실험인 LSST (Large Synoptic Survey Telescope), 그리고 지상 최대의 망원경인 GMT (Giant Magellan Telescope) 등에 모두 참여하고 있습니다. 이 관측 실험에서 생산되는 자료는 단순히 현재 제기되고 있는 우주론적인 난제들을 해결하는 열쇠를 제공하는 역할을 넘어서, 아직 인간이 발견하지 못한 새로운 우주의 현상들을 발견하는 중요한 공헌을 할 것입니다. 천문(연) 우주론 그룹은 2015년 천문연의 1호 FMRG (First Mover Research Group) 그룹으로 선정되었습니다. 이 과제를 통해서, 지구상에서 알려져 있는 기초과학으로 설명할 수 없는 우주론적인 난제들, 1) 입자표준모형의 범주를 넘어서는 우주초기조건 규명, 2) 보이지 않는 암흑물질의 검출, 그리고 3) 단순한 우주상수 모형에 기반 한 아인슈타인의 중력이론으로 설명할 수 없는 암흑 에너지 등의 정체를 규명하는 데 공헌을 할 계획입니다.
주요내용
우주론 분야는 현재 황금기를 맞이하고 있습니다. 그리고 가까운 미래에 다양한 파장대에서 근거리 우주와 심우주에서 수행될 것으로 기획되고 있는 관측 실험들이 다수 확정이 되고 있는 것을 고려했을 때, 최소 십년 내지는 이 십년 간 꾸준히 성장할 것으로 예측할 수 있습니다. 최근 십 년 사이에, 2006년과 2011년에 두 차례에 걸쳐 노벨 물리학상이 우주론 분야에서 수상되었다는 사실로부터도, 이 분야의 중요성이 학계에서 높아지고 있다는 것을 알 수 있습니다.
지금까지 많은 발전을 이루었지만, 우주론에는 여전히 풀리지 않는 난제들이 존재하고 있습니다. 우주전체 구성성분 중에서 인간이 설명할 수 있는 물질은 단 5%에 불과합니다. 나머지 95%를 차지하고 있는 암흑물질과 암흑에너지를 이해할 수 있는 결정적인 단서를 찾지 못하고 있습니다. 또한, 우주가 어떻게 시작했는지를 설명할 수 있는 우주초기 조건도 여전히 확신을 가지고 설명할 수 있는 이론 자체가 없는 형편입니다. 우리가 알고 있지 못하는 물질 및 에너지와, 우주초기 조건을 이해할 수 있는 단서를 찾기 위해서, 다양한 파장대에서 우주를 깊고 또 넓게 탐사할 수 있는 차세대 전천탐사가 기획되고 있습니다. 가까운 미래에, 지상에서는 (DESI, GMT, LSST)등의 고성는 광시야 전천탐사 관측이 수행될 계획이고, 우주공간에서는 (SPHEREx, Euclid, WFIRST, JWST) 등의 관측사업이 논의가 되고 있습니다. 상기의 차세대 망원경은 심우주에 존재하는 은하를 광시야로 전천탐사 할 수 있어, 우주론 적인 난제를 해결할 수 있는 실마리를 제공할 것으로 기대되고 있습니다.
우주표준모형에서 예측하는 우주의 역사. 이 중에서 우주초기, 암흑물질, 그리고 암흑에너지는 여전히 풀리지 않는 난제로 남아 있음  : Big Bang Expansion(13.7 billion years) : Development of Galaxies,Planets,etc. 1.Quantum Fluctuations,2.Inflation,3.Afterglow Light Pattern 380,00 yrs.,4.Dark Ages,5.1st Stars about 400 million yrs.,6.Dark Energy Accelerated Expansion,7.WMAP

우주표준모형에서 예측하는 우주의 역사. 이 중에서 우주초기, 암흑물질, 그리고 암흑에너지는 여전히 풀리지 않는 난제로 남아 있음

천문(연)은 첨단 기기개발 분야 및 관측장비 건설 분야에 전문적인 소양을 갖춘 연구자들을 확보하고 있을 뿐만이 아니라, 생산된 관측자료를 처리할 수 있는 첨단의 장비도 구비하고 있어, 차세대에 기획되고 있는 우주론 관측 사업에 참여할 수 있는 최적의 조건을 갖추고 있습니다. 천문(연)은 이미 SDSS4, DESI 및 GMT 사업에 참여를 확정하고 있고, 보유하고 있는 첨단 장비 기술 및 생산되는 자료를 처리할 수 있는 이론 연구 분야에서 선도적인 역할을 수행할 수 있는 연구환경을 갖추고 있습니다. 한국은 다양한 연구 분야에서 선도적인 역할을 할 수 있는 잠재적인 역량은 보유하고 있지만, 아직 각 분야의 선도적인 외국 기관을 따라 잡은 특정 연구 분야가 없는 형편입니다. 우주론 분야에서는 이러한 한계를 극복하고, 우주론 분야의 선도적인 외국의 다른 기관과 어깨를 나란히 할 수 있는 그룹으로 성장하는 것입니다.
우주론 그룹은 세계 최대 분광 광시야 관측 사업인 DESI에 참여합니다. DESI는 2018년부터 수 천 만개의 은하를 분광하여, 지구에서 백억 광년 떨어진 곳의 우주공간의 은하들의 거대 분포를 관측할 계획입니다. 이렇게 얻어진 은하의 분포를 우주의 3차원 지도로 변환하여, BAO (Baryon Acoustic Oscillation) 과 RSD (Redshift Space Distortion) 등의 방법론을 사용하여 암흑에너지의 정체규명과 수정중력의 존재를 검증할 수 있습니다. DESI 프로젝트는 키픽 천문대 (Kitt Peak National Obervatory)에 있는 4m 급 마얄 망원경에서 수행됩니다. 2006년에 작성된 암흑에너지 대책회의 (DETF)에서 정의한 가장 궁극적인 정밀 관측 단계인 Stage IV 급 관측 중에서 가장 먼저 현실화되는 사업이고, DESI를 공식적으로 후원할 미국 DoE (Department of Energy)가 2015년 CD2를 승인했습니다. 천문(연) 우주론 그룹에서는 송용선 박사가 천문(연) 기관 참여의 총괄을 맡고 있고, Arman Shafieloo 박사가 추가로 참여하여, 은하 구조 사이언스 그룹과 Time Streaming 사이언스 그룹에서 활동하고 있습니다. 천문(연) 우주론 그룹은 2015년 혹은 2016년 경에 역시 세계 최대 측광 광시야 관측 사업인 LSST와의 MoA에도 참여할 계획입니다. LSST는 지상에서 관측할 수 있는 하늘 전부를 몇 일 이내에 측광 전천탐사를 마칠 수 있는 망원경입니다. 현재 LSST는 설계를 마치고 미러를 제작하고 있는 중입니다. 2014년에 칠레 사이트 건설을 시작했고, 2019년에 “first light”을 관측하는 것을 목표로 하고 있고, 2021년 부터는 사이언스 분석을 시작할 수 있는 관측이 가능할 것으로 보고 있습니다. 우주론 그룹은 암흑에너지 사이언스 그룹에 참여를 할 예정입니다. DESI는 지상 최대의 분광 광시야 관측이고, LSST는 지상 최대의 측광 광시야 관측인 셈입니다. 이 두 관측 자료에 모두 접근할 수 있게 된 우주론 그룹의 장점을 살려, 두 관측 자료를 교차 관측하여, 각 관측 자료에 섞여 있는 노이즈를 효과적으로 제거하고, 두 자료의 특성을 조합하여 아인슈타인의 중력이론을 우주공간에서 검증하는 연구도 수행할 계획입니다. 추가로, 이 두 관측 자료는 향후 GMT를 보다 더 효율적으로 사용하기 위한 페스파인더 역할도 하게 될 것입니다.
DESI의 개념도와 이 망원경이 설치될 키픽 천문대의 야경사진

DESI의 개념도와 이 망원경이 설치될 키픽 천문대의 야경

이렇게 확보된 상기의 관측 자료를 활용하여, 우주론 그룹은 우주초기 조건 검증, 암흑물질 정체규명, 그리고 암흑에너지 및 수정중력 존재에 대한 연구 등의 천문학 분야의 미래 핵심 연구 과제들에 도전할 전략을 세우고 있습니다.
우주초기 조건 – 표준 입자표준 모형에 기반한 우주초기 모형에 도전
가장 일반적인 우주초기 급팽창 모형으로부터 유추된 초기 우주거대구조 스펙트럼은 비교적 단순한 선형 함수로 표현할 수는 있지만, 실재 500여개가 넘는 다양한 급팽창 이론 중에서는 이 선형 함수로 표현하기 어려운 초기 우주거대구조 스페크럼이 나오는 경우도 있습니다. 우주배경복사 비등방 스펙트럼, 분광 관측에서 얻어진 물질 스펙트럼, 약한 중력 스펙트럼 및 라이만 알파 스펙트럼까지 우주초기의 스펙트럼을 알지 못하면 후속 연구가 불가능 하므로, 보다 일반적인 형태의 우주초기 스펙트럼 연구가 반드시 필요합니다. 현대 우주론에서 우주의 진화과정을 연구하기 위해서는 당연히 초기의 스펙트럼 연구가 정밀하게 이루어져야 합니다. 천문(연) 우주론 그룹에서는 이 일반적인 형태의 초기 우주거대구조 연구를 전문적으로 수행해 왔습니다. 추가적으로 초기 양자요동이 약한 비대칭 확률분포를 (non-Gaussianity) 만들어 내게 되는데 그 형태가 급팽창 이론마다 다르게 예측되고 있습니다. 따라서 이 비대칭 확률분포를 측정하게 되면 우주초기 이론들을 검증할 수가 있게 됩니다.
암흑물질 – 보이지 않는 물질에 대한 도전
1930년 Zwicky는 코마 은하단 연구를 통해서 미지의 물질이 존재한다는 것을 처음 발견했습니다. 이 보고는 입자물리와 천문학 사이에 놓여져 있는 가장 신비한 연구 대상으로 부상하게 됩니다. 아주 작은 스케일에서 아주 큰 스케일까지 천문학 및 우주론에서는 이 암흑물질이 없이는 설명할 수 없는 다양한 현상들이 존재한다. 한 세기에 걸친 연구를 통해서 이 암흑물질도 아주 검출이 불가능할 정도로 ‘invisible’하지는 않다는 것이 알려지게 됩니다. 우주배경복사 비등방 스펙트럼의 음파 형태 유추부터 시작하여, bullet 은하단의 정성적인 연구 등 천문학적인 검출방법이 가능하다는 것도 알려졌고, 지상에서 수행할 수 있는 다양한 입자론 적인 암흑물질 검출방법도 다수 제안되고 있습니다. 이렇게 두 가지 서로 다른 접근방식을 동시에 사용하게 되면, 암흑물질의 ‘invisibility’를 극복할 수가 있게 됩니다. 본 과제에서는 이러한 교차 연구를 통해서 암흑물질의 정체를 규명하고자 합니다.
암흑에너지 – 아인슈타인의 중력이론에 대한 도전
1998년에 발견된 우주가속팽창 현상을 통해서 이 우주가 일반적으로 알려져 있는 표준 입자와 아인슈탕인의 중력이론 만으로 이해될 수 없다는 것을 알게 되었습니다. 지난 15년간 우주론자들은 두 가지 서로 다른 가능성을 제시한다. 첫 번째는, 표준입자모형에 없는 새로운 암흑에너지가 있다는 이론입니다. 이 암흑에너지는 우추초기에는 발현되지 않다가 후반기에 성장하여, 우주공간에 반중력 현상을 일으키게 된다. 다른 물질과는 다르게 팽창하는 우주에 장력과도 같은 효과를 주어서 팽창을 가속화시키는 것입니다. 두 번째는, 암흑에너지 같은 설명하기 어려운 입자보다는 아인슈타인의 중력이 우주공간에서 수정된다는 이론입니다. 이 이론에서는 태양계 같은 작은 스케일에서는 아인슈타인의 중력이론이 맞지만, 우주공간 같은 거대 스케일에서는 중력이 약화될 수 있습니다. 우주가속팽창이 새로운 물질이 존재하기 때문에 발생하는 것인지 혹은 중력 수정현상에 의해서 발생하는 것인지 판명할 수 있는 방법은 단 하나 밖에 없다. 분광과 측광 광시야 관측을 동시에 수행하여, 결과를 교차하는 것입니다. 천문(연) 우주론 그룹은 세계 최대의 분광 및 측광 관측에 동시에 참여하여, 이러한 연구를 수행할 수 있는 연구환경을 확보할 수 있습니다. 이러한 장점을 활용하여 암흑에너지 혹은 수정중력을 검증할 수 있는 연구를 수행하는 전략을 세우고 있습니다.
대표 성과
연구시설 및 장비 관련 활용 기술
  • 분광 광시야 실험인 DESI (Dark Energy Spectroscopy Instrument)
  • 측광 광시야 실험인 LSST (Large Synoptic Survey Telescope)
  • 지상 최대의 망원경인 GMT (Giant Magellan Telescope)
  • SPHEREx, Euclid, WFIRST, JWST
만족도 조사
콘텐츠 담당자 이론천문연구센터  :  송용선 042-865-2051
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