불균질한 우주 팽창과 아인슈타인 일반 상대성 이론

과학자들은 다물체 물리학(many-body physics) 방법을 사용해 우주 팽창을 연구한다.

우주론적 계산에서는 거의 항상 우주에 물질이 고르게 분포되어 있다고 가정한다. 별 하나하나의 위치를 ​​포함한다면 계산이 너무 복잡하기 때문이다. 실제로 우주는 균일하지 않다. 어떤 장소에는 별과 행성이 있고 다른 장소는 공허하다.

독일 뮌스터 대학의 연성 나노과학 센터(SoN)와 이론 물리학 연구소 물리학자 Michael te Vrugt와 Raphael Wittkowski 교수는 FIAS(Frankfurt Institute for Advanced Studies) 물리학자 Sabine Hossenfelder 박사와 함께 이 문제에 대한 새로운 모델을 개발했다. 연구 출발점은 적은 수의 측정량으로 많은 수의 입자로 구성된 시스템을 설명하는 방법 ‘Mori-Zwanzig Formalism’ 이다.

연구 결과는 Physical Review Letters 저널에 최근 게재됐다.

알버트 아인슈타인이 개발한 일반 상대성 이론은 현대 물리학에서 가장 성공적인 이론 중 하나다. 지난 5개의 노벨 물리학상 중 2개는 중력파 측정으로 2017년에, 2020년에는 은하수 중심에서 블랙홀 발견과 관련이 있었다. 이론의 가장 중요한 적용 중 하나는 빅뱅 이후 우주의 우주 팽창을 설명하는 것이다. 이 팽창의 속도는 우주의 에너지 양에 의해 결정된다. 적어도 현재 우주론에서 사용되는 Lambda-CDM 모델에 따르면 가시 물질 외에도 여기에서 중요한 역할을 하는 것은 무엇보다도 암흑 물질과 암흑 에너지다.

Sabine Hossenfelder는 “엄밀히 말하면 일반 상대성 이론에 우주 에너지 밀도의 평균값을 포함시키는 것은 수학적으로 잘못됐다. 문제는 이제 이 실수가 얼마나 나쁜가 이다. 일부 전문가들은 그것이 부적절하다고 생각하고, 다른 전문가들은 그것에서 물리적 특성이 아직 알려지지 않은 암흑 에너지의 수수께끼에 대한 해결책을 보고 있다. 우주의 불균등한 질량 분포는 우주 팽창 속도에 영향을 미칠 수 있다.

Raphael Wittkowski는 “Mori-Zwanzig 형식주의는 이미 생물 물리학에서 입자 물리학에 이르기까지 많은 연구 분야에서 성공적으로 사용되고 있으므로 이 천체 물리학 문제에 대한 유망한 접근 방식을 제공했다”고 말했다. 연구팀은 이 형식론을 일반상대성이론에 적용할 수 있도록 일반화하고, 이를 통해 우주의 불균등한 물질 분포를 고려하면서 우주 팽창 모델을 도출했다.

이 모델은 소위 이러한 불균일성이 우주의 팽창 속도에 미치는 영향에 대해 구체적으로 예측한다. 이 예측은 Lambda-CDM 모델에서 제공한 것과 약간 다르므로 새 모델을 실험적으로 테스트할 수 있는 기회를 제공한다. Michael te Vrugt는 “현재 천문학적 데이터는 이러한 편차를 측정할 만큼 정확하지 않다. 그러나 중력파 측정과 같은 큰 발전으로 인해 이러한 편차가 바뀔 것이라는 희망을 가질 수 있다. 또한 Mori-Zwanzig 형식주의의 새로운 변형은 다른 천체 물리학 문제에도 적용될 수 있으므로 이 작업은 관련이 있다”고 설명했다.