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138억년 우주보다 오래된 별이 있다?

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우주의 기원에 대해서는 여러 설이 있지만, 현재는 138억 년 전에 발생한 빅뱅에 의해 우주가 탄생하고 그 때 순간 강렬한 폭발에서 생긴 물질로 인해 별들이 형성되었다는 것이 정설이다.
그런데 지구에서 약 200광년 떨어진 곳에 있는 항성 ‘HD 140283(일명 므두셀라)’을 2000년에 과학자들이 유럽 ​​우주국(ESA)의 히파르코스(Hipparcos) 위성을 통해 관측한 결과 나이를 160억년 전으로 추정했다. 이는 우주 나이 138억년 보다 더 오래된 별로 빅뱅 이론과 위배된다.
므두셀라는 구약 성서 창세기에 등장하는 인물로 969세까지 살았다고 알려졌다. 그러한 므두셀라을 딴 이름을 가진 HD 140283는 지금까지 알려진 천체 중 가장 오래된 별로 발견 당시 나이가 160억년으로 추정됐다.
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우주보다 오래된 별이 존재한다는 것은 정설로 알려진 빅뱅 이론에 모순되기 때문에 많은 천문학자들이 HD 140283의 나이의 다시 측정하고 수수께끼를 풀고 있다. 펜실베니아 주립 대학의 천문학자인 하워드 본드(Hard Bond)도 그중 한 명이다.
우주 천문학 전문 뉴스 사이트 스페이스 닷컴(Space.com)에 따르면, 하워드 본드와 공동 연구자들은 먼저 허블 우주 망원경이 2003년에서 2011년 사이에 관측한 11개 데이터 세트를 자세히 분석했다. 별의 나이는 주로 빛의 스펙트럼 분석을 통해 별을 구성하는 물질의 성분을 조사해 산출되기 때문에 지구와 대상과의 거리가 잘못된 경우 분석에 많은 영향을 준다.
또 HD 140283을 구성하는 물질의 조성도 분석했다. 그 결과 예상보다 HD 140283에 산소의 양이 많은 것을 발견했다. 이를 바탕으로 HD 140283의 나이를 산출한 결과 HD 140283의 나이를 약 15억년 단축하는 데 성공, 나이를 144억 6000만 년으로 추정했다. 그럼에도 144억 6000만년 역시도 우주의 나이인 138억년보다 오래된 것에는 변하지 않았다.
그 후에도 연구팀은 추적 조사를 거듭해 HD 140283의 나이를 142억 7000만년까지 단축 시켰다. 여전히 우주의 나이인 138억년보다 오래된 것이다.
하지만, 산소량의 불확실성으로 인한 오차가 7억년에서 8억년 정도라는 결과도 나왔다. 따라서 오차 범위 안이라면 우주의 나이보다 약간 젊게 나올 수 있다.
하워드 본드는 “불확실성을 고려한다면 우주의 나이와 HD 140283의 나이가 서로 충돌하지 않는다”는 결론을 내렸다.
이렇게 되면 일단 우주 최초의 별의 수수께끼가 대충 풀렸다. 그런데, 새로운 수수께끼가 또 떠오르고 있다. 최근 연구에 따르면, 138억년이라는 우주 나이 자체가 오류로 훨씬 더 젊다는 가능성이 제기됐다.
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138억년이라는 우주의 나이는 허블 상수로 나타나는 우주의 팽창 속도로 산출됐다. 구체적으로는 “허블 상수는 지구로부터 1 메가파섹( MPc, 326만 광년, 메가는 100만, 1파섹은 약 3.26광년) 거리당 초당 67.8km씩 팽창하고 있다”고 되어 있다.
2013년 3월, 유럽우주국의 플랑크 위성이 정밀 측정한 우주배경복사로부터 얻은 데이터로 구한 허블 상수는 약 67.80(km/s)/Mpc(1 Mpc 메가파섹 = 326만 광년)이었다. 이 값으로 다시 계산하면 우주의 나이는 138억 년이다.
그러나 텍사스 대학의 물리학 교수인 에이치로 코마츠(Eiichiro Komatsu) 연구팀은 2019년 9월 13일(현지시각) “중력 렌즈를 이용한 정밀한 우주 관측 결과에서 허블 상수는 82.4로 판명됐다”는 논문(A measurement of the Hubble constant from angular diameter distances to two gravitational lenses)을 사이언스지에 발표했다.
1 Mpc(메가파섹) 거리당 초당 82.4km로 우주가 팽창하고 있다면 우주의 나이는 138억 년보다 24억년이나 젊은 114억년으로 대폭 단축 된다는 얘기다.
만약 우주의 나이가 114억년 이라면 HD 140283의 현재 추정 나이인 142억 7000만년보다 훨씬 젊기 때문에 “우주보다 오래된 별이 존재한다”는 문제는 미해결 상태가 된다.
이 같은 문제에 대해 영국 애스턴대학(Aston University)의 물리학자인 로버트 매튜스(Robert Matthews)는 “지금까지 과학의 역사를 되돌아보면 2가지 모순이 나타난 경우 진실은 모두 섞여 있는 경우가 많다”고 말했다.
또 “우주를 팽창시키는 원동력으로 알고 있는 암흑물질(dark matter)과 암흑에너지(dark energy)에 대해 아직 해명되지 않았다”며, “우주의 수수께끼를 해결하기 위해서는 새로운 우주론의 진전이 필요하다”고 덧붙였다.
김들풀 기자 itnews@
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