"허블 장력"은 관측된 우주 팽창 속도와 예상 우주 팽창 속도의 차이를 나타냅니다. 제임스 웹 우주 망원경은 허블 우주 망원경의 이전 측정보다 개선되었습니다. 이러한 진전에도 불구하고 우주의 급속한 팽창과 그 밑에 숨어 있는 우주 현상에 대한 의문은 여전히 ​​남아 있습니다.

NASA의 NIRCam(Near Infrared Camera)과 허블의 WFC3(Wide Field Camera 3)을 통해 종합적으로 관찰한 결과, 나선은하 NGC 5584는 지구에서 7,200만 광년 떨어져 있는 것으로 나타났습니다. NGC 5584의 빛나는 별 중에는 세페이드 변광성이라고 불리는 맥동하는 별과 특별한 유형의 폭발성인 Ia형 초신성이 있습니다. 천문학자들은 세페이드와 Ia형 초신성을 우주의 팽창 속도를 측정하기 위한 신뢰할 수 있는 거리 표시로 사용합니다. 이미지 출처: NASA, ESA, CSA 및 A.Riess(STScI)

허블 상수로 알려진 우주가 팽창하는 속도는 우주의 진화와 궁극적인 운명을 이해하는 기본 매개변수 중 하나입니다. 그러나 다양한 독립적인 거리 측정법을 사용하여 측정한 상수 값과 빅뱅 잔광에서 예측한 값 사이에는 '허블 장력'이라는 지속적인 불일치가 있습니다.

NASA의 James Webb 우주 망원경은 이러한 긴장에 대한 가장 강력한 관측 증거 중 일부를 검토하고 개선할 수 있는 새로운 기능을 제공합니다. 존스 홉킨스 대학의 노벨상 수상자 Adam Riess와 우주 망원경 과학 연구소는 Webb 관측을 사용하여 허블 상수의 로컬 측정 정확도를 향상시키는 그와 동료의 최근 연구를 설명했습니다.

우주 측정에 대한 도전

시야 가장자리에 있는 표지판을 보는 데 어려움을 겪은 적이 있습니까? 그것은 무엇을 말합니까? 이것은 무엇을 의미합니까? 가장 강력한 망원경을 사용하더라도 천문학자들이 읽고 싶어하는 "표시"는 너무 작아서 우리가 어려움을 겪습니다.

우주학자들이 해독하고 싶어하는 서명은 우주 속도 제한 서명으로, 이는 우주가 얼마나 빨리 팽창하고 있는지 알려주는 허블 상수라는 숫자입니다. 우리의 별자리는 먼 은하계의 별들에 기록되어 있습니다. 이 은하에 있는 특정 별의 밝기는 그 별이 우리로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지, 따라서 이 빛이 우리에게 도달하는 데 얼마나 오랜 시간이 걸리는지 알려주는 반면, 은하의 적색편이는 그 기간 동안 우주가 얼마나 팽창했는지 알려줌으로써 팽창 속도를 알려줍니다.

이 다이어그램은 우주의 팽창 속도를 보정하는 데 사용되는 특별한 종류의 변광성까지의 정확한 거리를 결정하기 위해 NASA의 허블 우주 망원경과 웹 우주 망원경의 결합된 능력을 보여줍니다. 이 세페이드는 붐비는 별 필드에 나타납니다. 주변 별의 빛 오염으로 인해 세페이드의 밝기 측정이 덜 정확해질 수 있습니다. Webb의 더욱 선명한 적외선 시야를 통해 오른쪽에 보이는 것처럼 세페이드 표적을 주변 별과 더욱 명확하게 분리할 수 있습니다. Webb 데이터는 우주의 팽창 속도를 측정하는 우주 거리 사다리의 하단 단계를 설정하는 데 중요한 허블의 30년간의 세페이드 관측의 정확성을 확인시켜 줍니다. 왼쪽에는 NGC 5584가 Webb의 NIRCam(Near Infrared Camera)과 허블의 Wide Field Camera 3의 합성 이미지에 나타납니다. 이미지 출처: NASA, ESA, A.Riess(STScI), W.Yuan(STScI)

특별한 종류의 별인 세페이드 변광성은 매우 밝기 때문에 100년 이상 동안 우리에게 가장 정확한 거리 측정을 제공했습니다. 이 별들은 초거성이며 태양보다 수십만 배 더 밝습니다. 게다가 몇 주에 걸쳐 맥동(즉, 크기가 확장 및 축소)되며 이는 상대적인 밝기를 나타냅니다. 기간이 길수록 본질적으로 더 밝아집니다. 이는 허블 상수를 결정하는 핵심 단계인 1억 광년 이상의 은하까지의 거리를 측정하는 최고의 표준 도구입니다. 불행하게도, 우리가 멀리서 볼 때 은하계의 별들은 작은 공간에 빽빽이 들어차 있기 때문에 우리는 그들을 시선에 있는 이웃으로부터 분리할 수 있는 해상도가 부족한 경우가 많습니다.

허블의 공헌과 Webb의 발전

허블 우주 망원경을 만든 주된 이유 중 하나는 이 문제를 해결하는 것이었습니다. 1990년 허블 망원경의 발사와 후속 세페이드 측정 이전에는 우주의 팽창 속도가 너무 불확실했기 때문에 천문학자들은 우주가 100억 년 동안 팽창했는지 200억 년 동안 팽창했는지 확신할 수 없었습니다. 이는 팽창 속도가 빠르면 우주가 더 젊어지고, 팽창 속도가 느리면 우주가 더 오래되기 때문입니다. 허블은 지구 대기의 흐릿한 효과 위에 위치하기 때문에 지상 망원경보다 가시 파장의 해상도가 더 좋습니다. 따라서 이 장치는 1억 광년 이상 떨어진 은하에 있는 개별 세페이드를 식별하고 밝기가 변하는 시간 간격을 측정할 수 있습니다.

그러나 사이에 있는 먼지를 손상 없이 통과하는 빛을 보려면 스펙트럼의 근적외선 부분에서 세페이드를 관찰해야 합니다. (먼지는 파란색 광학광을 흡수하고 산란시켜 멀리 있는 물체를 어둡게 보이게 만들고 실제보다 더 멀리 있다고 믿게 만듭니다.) 불행하게도 허블의 적색광 시야는 청색만큼 선명하지 않기 때문에 우리가 세페이드에서 보는 별빛은 시야의 다른 별들과 섞여 있습니다. 의사가 체중계 판독값에서 옷의 평균 무게를 빼서 체중을 계산하는 것처럼 평균 혼합을 통계적으로 해석할 수 있지만 그렇게 하면 측정값에 노이즈가 추가됩니다. , 어떤 사람들의 옷은 다른 사람들보다 무겁기 때문입니다.

그러나 예리한 적외선 시각은 제임스 웹 우주 망원경의 초능력 중 하나입니다. 큰 거울과 민감한 광학 장치를 사용하여 혼합이 거의 없이 세페이드 빛을 이웃 별과 쉽게 분리할 수 있습니다. 1685년 웹 우주 관측 프로그램이 운영된 첫 해에 우리는 이른바 우주 거리 사다리를 따라 두 단계에 걸쳐 허블이 발견한 세페이드에 대한 관측 자료를 수집했습니다. 첫 번째 단계는 알려진 기하학적 거리에서 은하계의 세페이드를 관찰하는 것입니다. 이를 통해 세페이드의 실제 광도를 보정할 수 있습니다. 우리의 목적에 따라 그 은하는 NGC 4258입니다. 두 번째 단계는 최근 Ia형 초신성의 모은하에서 세페이드 변광성을 관찰하는 것입니다. 처음 두 단계의 조합은 거리 지식을 초신성에 전달하여 실제 광도를 보정합니다. 세 번째 단계는 우주의 팽창이 중요한 먼 곳의 초신성을 관찰하는 것인데, 이는 초신성의 모은하의 적색편이와 밝기로부터 유추되는 거리를 비교함으로써 측정할 수 있습니다. 이 일련의 단계를 거리 사다리라고 합니다.

우리는 최근 1단계와 2단계에서 첫 번째 Webb 측정값을 얻었습니다. 이를 통해 거리 사다리를 완성하고 천문대의 근적외선 파장 분해능 덕분에 이전 허블 측정값(그림 참조)과 비교할 수 있었습니다. 이러한 개선은 천문학자들이 꿈꾸는 것입니다! 우리는 처음 두 단계에서 320개 이상의 세페이드를 관찰했습니다. 우리는 초기 허블 우주 망원경 측정이 비록 잡음이 있기는 하지만 정확했음을 확인합니다. 우리는 또한 Webb를 통해 네 개의 다른 초신성 호스트를 관찰했으며 전체 샘플에서 유사한 결과를 확인했습니다.

거리 측정을 위한 세페이드 변광성의 주기-광도 관계 비교. 빨간색 점은 NASA의 Webb에서 가져온 것이고 회색 점은 NASA의 Hubble에서 가져온 것입니다. 상단 패널은 Ia형 초신성 호스트인 NGC 5584이며, 삽입된 그림은 각 망원경에서 볼 수 있는 동일한 세페이드 변광성의 이미지 마커를 보여줍니다. 하단 패널은 기하학적 거리가 알려진 은하인 NGC 4258이며 삽입된 그림은 각 망원경으로 측정한 NGC 5584와 NGC 4258 사이의 거리 계수의 차이를 보여줍니다. 두 망원경 사이의 일치는 매우 좋습니다. 이미지 출처: NASA, ESA, A. Riess(STScI) 및 G. Anand(STScI)

허블 장력의 지속성에 관한 미스터리

결과는 우주가 왜 그렇게 빨리 팽창하고 있는지 아직도 설명하지 못합니다! 우리는 우주의 초기 이미지(우주 마이크로파 배경)를 보고 시간이 지남에 따라 우주가 어떻게 성장했는지에 대한 최고의 모델을 사용하여 우주가 오늘날 얼마나 빨리 팽창해야 하는지 알려줌으로써 우주가 얼마나 빨리 팽창하고 있는지 예측할 수 있습니다. 팽창률에 대한 현재 측정이 예측을 크게 초과한다는 사실은 "허블 장력"으로 알려진 10년 동안의 문제입니다. 가장 흥미로운 가능성은 긴장이 우주에 대한 우리의 이해에서 누락된 단서 중 일부라는 것입니다.

이는 이국적인 암흑 에너지, 이국적인 암흑 물질의 존재, 중력에 대한 이해의 수정, 독특한 입자나 장의 존재를 나타낼 수 있습니다. 더 일반적인 설명은 여러 측정 오류가 동일한 방향으로 공모되었다는 것입니다(천문학자는 독립적인 단계를 사용하여 개별 오류를 배제함). 따라서 더 높은 충실도로 측정을 다시 수행하는 것이 매우 중요합니다. Webb의 허블 측정 확인을 통해 Webb 측정은 허블의 세페이드 광도계의 체계적인 오류가 현재 허블 장력에 중요한 역할을 하지 않는다는 가장 강력한 증거를 제공합니다. 결과적으로 더욱 흥미로운 가능성이 남게 되며 긴장감의 미스터리는 더욱 깊어진다.

이 기사는 The Asphysical Journal에서 승인한 논문의 데이터를 강조합니다.