[여성소비자신문 한지안 기자] 세종대학교 물리천문학과 채규현 교수가 장주기 쌍성의 궤도운동의 새로운 분석을 통해 뉴턴-아인슈타인 표준중력이 약한 가속도에서 붕괴한다는 새로운 증거를 얻었다고 밝혔다.

연구 결과는 미국 천문학회에서 발간하는 천체물리학저널(The Astrophysical Journal)에 2024년 1월 8일 월요일 온라인으로 공개됐다(논문 제목: Robust Evidence for the Breakdown of Standard Gravity at Low Acceleration from Statistically Pure Binaries Free of Hidden Companions).

이번 연구를 위해서 채 교수는 장주기 쌍성에 대한 유럽항공우주국의 가이아(Gaia) 우주망원경의 최신 데이터베이스를 사용했다. 이 데이터베이스는 쌍성에 대한 현존하는 최대 규모의 초정밀 데이터를 제공한다.

2023년에 650광년 이내의 거리에 있는 26,500여 개의 장주기 쌍성 분석을 통해서 표준중력 붕괴의 결정적 증거를 이미 출판한바 있는 채 교수는, 이번에 새롭게 독립적인 연구를 수행했다. 특히, 이번 연구에서는 관측 안 된 추가 별을 내포할 가능성이 있는 쌍성계를 모두 제거함으로써 순수한 쌍성계만을 얻어 분석했다.

이는 추가별의 영향을 계산하는 데서 발생할 수 있는 잠재적 오류를 원천 차단한 결과를 얻어서 기존의 결과와 비교하기 위함이다. 순수한 쌍성 샘플은 2,463개로서 본 샘플의 10퍼센트 이내 크기지만, 독립적인 결과를 줄 것으로 기대됐다.

순수한 쌍성을 통해서 중력의 속성을 테스트하기 위해 채 교수는 두 개의 독립적 알고리즘을 적용했다. 첫 번째 알고리즘은 2023년 논문에서 개발된 것으로서 쌍성이 경험하는 가속도를 두 별 사이의 뉴턴 중력 가속도에 따라 계산하고, 이를 뉴턴역학의 예측과 비교했다.

따라서, 뉴턴 중력 가속도가 약해질 때 중력의 성질이 어떻게 변하는지를 밝힐 수 있다. 이번에 새로 개발해 적용한 두 번째 알고리즘은 상대적으로 단순한 것으로서 순수한 쌍성 샘플에 적용하기에 적합하다.

이 알고리즘에서는 하늘(천구)로 투영돼 관측되는 두 별 사이의 상대속도의 분포를 관측된 두 별 사이의 거리에 따라 얻은 후 이를 몬테카를로 방법을 사용해 뉴턴역학이 예측하는 분포와 비교함으로써 중력의 성질을 밝힐 수 있다.

두 알고리즘에 의한 결과는 잘 일치하며 2023년에 일반 샘플에 대해서 얻어진 결과와도 잘 일치한다. 즉, 뉴턴역학과 일반상대성이론의 표준중력은 약한 가속도에서 붕괴하며 이스라엘의 모르더하이 밀그롬(Mordehai Milgrom) 교수가 제안한 수정뉴턴역학(modified Newtonian dynamics)에 기초한 수정중력(modified gravity)이론의 예측과 일치한다.

궤도의 크기가 2,000AU(astronomical unit: 천문단위는 지구와 태양 사이의 거리) 이내일 때는 쌍성의 궤도운동이 표준중력의 예측과 잘 일치하나, 2,000AU 이상에서는 표준중력의 예측에서 벗어나기 시작하며, 5,000AU 이상에서는 관측된 상대속력과 중력 가속도의 크기가 뉴턴의 예측치의 1.2배와 1.4 ~ 1.5배 정도로 각각 커지게 된다.

엄밀하게 선택된 순수한 쌍성 샘플이 10배 이상 큰 일반 샘플과 완전히 일치하는 결과를 준다는 것은 표준중력 붕괴의 증거가 견고함을 뜻한다. 공교롭게도 멕시코 UNAM대학 하비어 에르난데스(Xavier Hernandez)교수 그룹도 완전히 독립적으로 쌍성을 선별하고 분석해 채 교수 연구 결과와 완전히 일치하는 결과를 거의 동일한 시기에 얻어 현재 출판 과정에 있다.

한지안 기자  hann9239@hanmail.net

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