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  • [과학 연구의 최전선] 송용선 한국천문연구원 우주론 연구자
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[2562호] 2019.06.17
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[과학 연구의 최전선]송용선 한국천문연구원 우주론 연구자

photo 김종연 영상미디어 기자
한국천문연구원 정문 왼쪽에는 ‘우리는 우주에 대한 근원적 의문에 과학으로 답한다’라는 흰색 글씨가 커다란 돌에 새겨져 있다. 지난 5월 30일 대전 유성구에 있는 한국천문연구원으로 우주론 연구자 송용선 박사를 찾아갔다. 송 박사는 천문연 입구에 쓰여 있는 대로 ‘근원적 의문’을 갖고 있었다. 초기우주 에 일어났다는 급팽창(혹은 인플레이션)의 직접 증거를 찾고 있다고 했다.
   
   송 박사는 천문연의 주요 조직 중 하나인 ‘이론천문센터’를 이끌고 있다. 이론천문센터 센터장으로 우주론을 연구한다. 긴 머리칼의 그는 사색하는 천체물리학자 같은 인상이었다. 송 박사는 “우주 관측 결과가 (입자물리학자가 구축한) 입자표준모형과 일치하지 않는다”라고 말했다. 송 박사에 따르면 입자표준모형은 지구에서 본 자연을 이해하는 물리학 모델이다. 입자물리학자는 전자, 쿼크 등등의 기본 입자가 물질 세계를 이룬다고 말한다. 송 박사는 이 입자물리학이 우주에서 일어나는 일을 설명하지 못한다고 말했다.
   
   “지구에 있는 자연이나 우주에 있는 자연이나 같은 원리로 설명이 되어야 한다. 그런데 그렇지 못하다. 입자표준모형과 우주론이 안 맞는다는 단서는 ‘우주의 급팽창(inflation)’에 있다. 우주에 있다고 예상되는 두 가지 ‘암흑’, 즉 암흑물질과 암흑에너지도 입자표준모형은 설명하지 못한다.”
   
   
   두 번 급팽창한 우주
   
   송 박사에 따르면, 우주는 두 번 급팽창했다. 빅뱅이라는 우주의 탄생 시점으로부터 짧은 시간이 지난 후 일어난 초기우주 급팽창이 첫 번째다. 그리고 현재 우주 나이 138억년이 된 시점에서 진행 중인 급팽창이 두 번째다. 먼저 첫 번째 급팽창을 보자. 빅뱅으로 우주가 만들어졌는데, 빅뱅이 일어나고 우주가 바로 거대한 크기로 커진 게 아니다. 우주의 급팽창을 일궈낸 사건이 있었다. 빅뱅 직후 우주의 팽창세가 약화되고 있을 시점에 우주가 다시 상상할 수 없는 힘의 작용으로 ‘급팽창’했다. 급팽창 사건은 “10-36초에 시작되어 10-33초, 혹은 10-32초까지 계속됐다.”(온라인 백과사전 위키피디아)
   
   빅뱅과 급팽창 사건으로부터 138억년이 지난 지금 이 시점에서의 우주는 어떤 상태일까? 우주론 연구자는 우주가 커지고는 있으나, 그 팽창 속도는 줄어들고 있을 것이라고 당초에 예측했다. 우주에는 막대한 양의 물질이 있고, 이 물질은 중력으로 서로 잡아당긴다. 그래서 성장이 멈춰야 한다. 그런데 그게 아니었다. 우주는 가속페달을 밟고 있었다. 인류는 이 두 번째 우주 급팽창 사건을 1998년에 알았다. 천체물리학자와 천문학자들이 초신성 관측을 통해서 얻은 결과였다. 이들은 멀리 있는 천체일수록 더 빨리 멀어지고 있다는 걸 확인했고, 이는 우주가 더 빠른 속도로 팽창하고 있기 때문이라고 풀이했다.
   
   초기우주의 급팽창이 끝나고 정상적으로 팽창하던 우주의 어느 시점부터 ‘우주를 밀어내는 힘’이 괴력을 발휘해 우주를 가속팽창시키고 있었던 것이다. 그 시기는 정확히 알 수 없으나 지금으로부터 수십억 년 전으로 추측된다. 이는 인류의 우주관을 뒤집는 충격적인 발견이었다. 우주의 가속팽창을 알아낸 세 사람(솔 폴머터, 브라이언 슈밋, 애덤 리스)은 2011년 노벨물리학상을 수상했다.
   
   
   수십억 년 전부터 다시 가속팽창
   
   그렇다면 무엇이 우주를 다시 급팽창하도록 만들었을까? 그 이유는 불분명하다. 그래서 학자들은 그 미지의 힘에 ‘암흑에너지’라는 이름을 붙였다. 송 박사가 말한 ‘두 가지 암흑’ 중 하나가 암흑에너지다. 암흑에너지는 우주 전체의 물질과 에너지 총량 중에서 68%를 차지할 것으로 예상된다. 암흑에너지가 무엇인지 지금 학자들은 짐작도 못 하고 있다. ‘암흑에너지’의 정체를 알아내는 사람은 노벨상을 받을 게 분명하다고 얘기된다.
   
   송 박사는 앞에서 입자표준모형이 설명하지 못하는 것으로 또 다른 ‘암흑’이 있다고 했다. 이건 암흑물질이다. 학자들은 암흑물질의 존재도 우주를 연구하면서 알아냈다. 지구의 자연에서는 확인할 수 없었다. 우주의 성단을 보고 1930년대 프리츠 츠비키라는 스위스 물리학자(당시 미국 캘리포니아공대 교수)가 뭔가 우리 눈에 보이지 않는 물질이 있다고 최초로 주장했다. 그 이미지의 물질에 츠비키는 ‘암흑물질’이란 이름을 붙였다. 그의 주장은 그다지 주목받지 못했다.
   
   1970년대 미국 여성 천문학자 베라 루빈이 츠비키의 연구를 되살려냈다. 베라 루빈은 은하의 회전속도를 관측하고, 이 이상한 회전속도를 설명하려면 암흑물질이 있어야 한다고 주장했다. 베라 루빈의 관측은 학계의 인정을 받았다. 암흑물질이 무엇인지는 입자물리학자들이 달려들어 설명하려고 하고 있다. 암흑물질은 우주 전체의 물질과 에너지 중 27%를 차지한다고 측정되어 있다. 아직은 그게 무엇인지 모른다.
   
   반면 암흑에너지는 천체물리학자, 우주론연구자의 몫이다. 연구자들은 우주를 밀어내는 이 힘이 작용한 우주 급팽창의 직접 증거를 찾고 있다. 많은 프로젝트가 진행 중이다. 직접 관찰할 수 있는 현재의 우주 급팽창과는 달리, 초기우주의 급팽창은 직접 관측하지 못했다. 초기우주 급팽창은, 그런 일이 일어났을 것이란 간접 증거만 갖고 있다. 송용선 박사가 이끄는 우주론 그룹의 임무 중 하나가 급팽창 직접 증거 찾기다. 송 박사 팀은 두 개의 국제 프로젝트에 참여하고 있다. 우주망원경 프로젝트(SPHEREx·스피어엑스)와 지상망원경 프로젝트(DESI·Dark Energy Spectroscopic Instrument·한국어로는 ‘암흑에너지 분광기’라는 뜻)이다.
   
   스피어엑스는 미국항공우주국의 제트추진연구소(JPL)가 준비하고 있는데 2023년 위성을 발사할 예정이다. 천문연은 스피어엑스에 들어갈 기기 일부를 한국에서 제작 중이다. DESI는 미국 버클리-캘리포니아대학 팀이 이끌고 있으며 16개 국제기관이 같이한다. 미국 애리조나주 투산 인근에 있는 키트피크(Kitt Peak)산의 망원경을 운영하며 2013년에 실험이 시작됐다. 우주팽창의 역사와 암흑에너지 물리학을 탐사하는 게 DESI 실험의 목표다. DESI는 “현재 기획되고 있는 전천(全天·all-sky)탐사 중에서 가장 방대하고 정밀한 분광 광(廣)시야 실험”이라고 얘기한다.
   
   

   우주 급팽창이 만들어낸 증거들
   
   송 박사는 “범죄 현장에는 범죄 증거가 남아 있다. 초기우주의 급팽창도 그게 일어났다는 증거가 남아 있다. 하나는 ‘초기우주 중력파’이고, 또 하나는 우주거대구조에 비선형 확률분포로 남아 있는 증거”라고 말했다. ‘초기우주 중력파’는 급팽창이 일어나면서 시공간이 흔들릴 때 그 충격으로 인해 생긴 파동이다. 블랙홀 충돌에서 생긴 시공간의 흔들림으로 생겨나는 중력파와는 다른 중력파이다. 미국의 중력파 검출실험인 LIGO는 천체들이 충돌해서 만든 중력파를 검출한다. 별이 만드는 중력파는 우주에서 수없이 발생하는 사건이지만, ‘초기우주 중력파’는 단 한 번 만들어졌다. 급팽창이 일어나면서 생긴 초기우주의 1회성 사건이기 때문이다.
   
   송용선 박사는 “지금까지 급팽창 중력파를 찾아내기 위한 많은 실험이 있었다. 하지만 아직까지는 모두 실패했다”고 말했다. 관측 실험으로는 일본 JAXA의 ‘LiteBIRD’(‘빛 새’라는 뜻)가 가장 유명하다. 몇 년 전 초기우주 중력파를 발견했다는 오보를 냈던 실험 바이셉(BICEP) 망원경도 있다고 했다. 지상실험도 많다. 송 박사는 “현재 미국과 유럽이 공동으로 진행할 지상실험 프로젝트가 만들어지고 있다. 천문연도 참여 방식을 놓고 프로젝트 추진 측과 대화하고 있다”고 말했다.
   
   그는 지금 초기우주 급팽창의 두 번째 직접 증거, 즉 우주거대구조에 남아 있을 수 있는 비선형 확률분포를 찾고 있다. 우주거대구조에서 확인할 수 있는 증거인 비선형 확률분포란, 우주에 있는 모든 은하의 분포를 확인하는 작업에서 시작된다. 은하들의 분포는 초기우주에 있었던 ‘씨앗’이 자라나 만들어진 것이다. 우주거대구조의 그림을 정확히 알면, 그걸 만들어낸 ‘씨앗’을 역으로 추적할 수 있다. 송 박사에 따르면 이 같은 실험은 1970년대 에드워드 해리슨(영국 천문학자·우주론연구자, 1919~2007)과 야코프 젤도비치(러시아 물리학자, 1914~1987)의 이론에 근거한다. 해리슨과 젤도비치는 현재 관측되는 은하의 분포가 만들어지기 위해서는 태초에 거시 구조의 씨앗이 우주 전 공간에 뿌려졌다고 주장했다. 초기우주의 씨앗은 물리학 용어로는 ‘양자요동(Quantum fluctuation)’이라고 한다. 초기우주의 양자요동 형태가 어땠는지를 알아내는 게 송용선 박사 팀의 일이다. 송 박사는 “2025년이면 연구 결과가 나올 것”이라고 말했다.
   
   양자요동이라는 말이 어렵게 들린다. 물리학자는 초기우주로 가면 시공간이 아주아주 작았고, 너무 작기에 양자역학이 지배한다고 말한다. 거칠게 얘기하면 양자역학은 원자 세계에서 작동하는 물리법칙이다. 우리 일상에서의 물리법칙과는 다른 물리학이 이 작은 세계에서는 적용된다. 이 작은 세계, 즉 양자 세계에서는 ‘양자요동’ 현상이 일어난다고 물리학자는 믿는다. 즉 아무것도 없어 보이는 빈 공간은 아무것도 없는 곳이 아니다. 엄청난 에너지를 가진 입자가 짧은 순간 출몰하고 있다. 빅뱅 직후의 시공간에도 이런 양자요동이 있었고, 이로 인해 공간 내 물질 밀도의 차이가 있었다. 이 물질의 많고 적은 상태가 급팽창으로 시공간이 커지면 어떻게 될까? 송 박사는 “초기우주의 양자요동이 급팽창이 끝난 우주에 그대로 얼어붙고 말았다”라고 말했다. 초기우주의 양자요동 형태가 무한히 큰 모습으로 확대됐으며, 그게 지금으로부터 오랜 시간 전의 우주 모습이라는 것이다. 그리고 그 우주가 진화를 계속해 지금의 모양으로 되었다.
   
   
   우주 진화 시뮬레이션 작업 중
   
   송 박사에 따르면, 초기우주의 양자요동 형태와 관련해서는 10여개의 예측이 나와 있다. 급팽창이 어떻게 일어났느냐를 설명하는 이론들은 각각 양자요동 형태를 예측하는데, 지금까지 나온 급팽창이론은 수백 개에 이른다. 수백 개 급팽창이론이 예측하는 양자요동 형태를 분류해보니 10여개가 되었다.
   
   송 박사 그룹은 현재 우주 진화 시뮬레이션 작업을 하고 있다. 우주 전체의 은하 지도가 나오기 전에 이론적인 연구를 해야 한다. ‘우주거대구조 이론’을 만들어야 하는 것이다. 초기우주 양자요동 형태와, 우주의 은하 지도를 연결시키려면 이론이 있어야 한다. 우주 진화를 설명하는 이론이 있어야 은하 지도가 나오면 그걸로 초기우주 양자요동 형태를 역추적할 수 있다. 어떤 초기우주 양자요동이 태초에 일어났는지를 확인할 수 있게 된다. 송 박사는 “이론에 따라 시뮬레이션을 만들고, 그 시뮬레이션으로 어떤 급팽창이론이 맞는지 틀리는지를 검증하게 된다”고 말했다.
   
   송 박사는 연세대 물리학과 89학번. 석사까지는 연세대에서 공부했고, 1998년 영국 런던의 임페리얼칼리지에 가서 1년간 다시 석사 과정을 밟았다. 이때까지의 연구는 물리학의 한 분야인 ‘끈이론’이었다. 이후 그는 미국 캘리포니아 샌프란시스코 인근 도시 데이비스에 있는 캘리포니아대학에서 박사 공부를 했다. 임페리얼칼리지에 있던 안드레아스 알브레히트 교수가 이 대학으로 갔다는 소개를 받고 대서양을 건넜다. 알브레히트 교수가 끈이론 연구가인 줄 알고 갔으나, 알고 보니 ‘우주론’ 연구자였다. 그래서 송용선 학생도 우주론을 공부하게 되었다.
   
   알브레히트는 급팽창이론을 만든 대가 중 한 사람이다. 그는 초기우주에 급팽창이 일어난 과정과 관련해 다듬어진 이론(신(新)급팽창이론)을 1980년대 초에 내놓았다.(신급팽창이론을 내놓은 다른 연구자는 미국 프린스턴대학의 폴 스타인하트, 스탠퍼드대학의 러시아계 물리학자 안드레이 린데이다.) 급팽창이론으로 가장 유명한 인물은 앨런 구스(미국 MIT 교수)다. 구스는 1979년 우주론의 다른 문제(자기홀극)를 연구하다가 급팽창이론(초기 급팽창이론)을 내놓았다. 그의 급팽창 아이디어는 ‘빅뱅이론’이 설명하지 못하던 여러 가지 문제를 해결했다. 서로 멀리 떨어진 우주는 아무런 정보를 주고받을 수 없는데도 왜 비슷한가(지평선 문제), 우주는 왜 편평한가(평탄선 문제)에 대해 내놓은 답이 그 일부다. 그래서 우주론 연구자들은 구스의 (초기)급팽창이론에 환호했다. 그러나 구스가 내놓은 방식보다는 더 그럴듯한 급팽창 모델을 폴 스타인하트, 안드레이 린데, 안드레아스 알브레히트가 후에 내놓았다. 송 박사는 알브레히트 교수와 두 편의 논문을 같이 썼다고 했다. 알브레히트는 내가 송 박사를 만나기 2주 전에 대전 한국천문연구원을 방문했다고 했다. 초기 양자요동 이론에 대해 논의할 게 있었다고만 송 박사는 말했다.
   
   송 박사의 데이비스-캘리포니아대학 박사 논문 지도교수는 로이드 녹스. 송 박사는 알브레히트 교수 연구실에서 연구하다가 물리학과에 신임교수로 온 녹스로부터 배우게 됐다. 송 박사는 “녹스 교수는 내 연구 인생에서 중요했다. 나는 그의 첫 학생이다. 그는 나이는 나보다 한 살 적었지만 그로부터 많이 배웠다”고 말했다. 송용선 박사는 이때 태초에 급팽창이 일어났다는 직접적인 증거 중 하나인 ‘초기우주 중력파’를 찾기 위한 연구를 했다. 남극에 설치된 바이셉 망원경으로 중력파를 검출하는 방법과, 이 망원경의 검출 한계치를 알아냈다.
   
   박사후연구원 생활은 시카고대학과 영국 포츠머스대학에서 했다. 우주거대구조를 연구했다. 시카고대학에서는 왜 현재의 우주가 급팽창하고 있는지, 그 방법론을 연구했다. 지도교수인 웨인 후(Wayne Hu)와 함께 암흑에너지 없이도 상대성이론을 우주공간에 적용하면 우주의 가속팽창을 설명할 수 있다는 걸 알아냈다.
   
   “암흑에너지는 입자론으로 만들어내기가 어렵다. 그래서 대신 중력을 들여다봤다. 우주적인 거시적 범위에서는 중력이 변할 수도 있어, 중력이 약화될 수 있는 가능성을 연구했다. 또 아인슈타인 중력이론은 완전하지 않은데, 이걸로 가속팽창을 만드는 이론을 만들어봤다. 그런 이론이 맞다면 우주거대구조가 어떻게 달라질까를 연구했고, 또 그런 우주거대구조를 실험들로 어떻게 관측할 수 있을까를 연구했다. 그때의 우주거대구조 연구가 지금 천문연구원의 프로젝트로 이어지고 있다.” 시카고대학 시절 쓴 ‘수정 중력’ 논문은 피인용수가 300편을 넘을 정도로 주목을 받았다. 송 박사는 “내 논문 중에서 가장 많이 인용됐다”고 말했다.
   
   송영선 박사는 2010년 한국에 돌아왔고, 2011년 천문연에 들어갔다. 당시 천문연구원에는 우주론 그룹이 없어 새로 만들었다. 현재 우주론 그룹에는 10명이 속해 있다. DESI 프로젝트에 참여한 건 송 박사가 센터장으로 한 일이다. 송용선 박사는 자신의 연구 분야가 암흑물질, 암흑에너지, 우주초기조건 세 가지라고 설명했다.
   
   송 박사는 자신이 연구하는 첫 번째 급팽창에 대해 “빅뱅이 이 우주를 만들어냈다면, 초기우주의 급팽창은 생명을 만들어냈다”고 의미 부여를 했다. 옳은 말이라고 생각했다. 초기우주의 모든 곳이 균일했다면 우주에는 어떤 구조물도 생기지 않았다. 하늘에 별도, 별을 도는 행성도, 행성에 사는 생명체도 불가능하다. 텅 빈 우주가 아니고, 밤하늘을 꽉 차게 만든 주역이 급팽창이었다니. 나를 있게 한 우주적 사건을 발견한 취재였다.
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