천문학의 연구에서 '천체까지의 정확한 거리'를 아는 것은 매우 중요하며, 유럽우주국(ESA)은 우주망원경 미션인 가이아 계획으로 천체까지의 정확한 거리를 측정하려고 시도하고 있습니다. 2020년 12월 3일(목) 가이아 계획으로 우주망원경에 의해 측정된 '천체까지의 거리' 데이터세트가 2년만에 갱신됨에 따라 천문학자들은 '우주의 팽창속도'에 대한 새로운 논문을 발표했습니다.
Cosmic Distances Calibrated to 1% Precision with Gaia EDR3 Parallaxes and Hubble Space Telescope Photometry of 75 Milky Way Cepheids Confirm Tension with LambdaCDM
https://arxiv.org/abs/2012.08534
Astronomers Get Their Wish, and the Hubble Crisis Gets Worse | Quanta Magazine
https://www.quantamagazine.org/astronomers-get-their-wish-and-the-hubble-crisis-gets-worse-20201217/
Astronomers Get Their Wish, and the Hubble Crisis Gets Worse
On December 3, humanity suddenly had information at its fingertips that people have wanted for, well, forever: the precise distances to the stars. “You type in the name of a star or its position, and in less than a second you will have the answer,” Bar
www.quantamagazine.org
ESA’s Gaia Mission Releases Data on More Than 1.8 Billion Stars | Astronomy | Sci-News.com
http://www.sci-news.com/astronomy/gaia-early-third-release-09116.html
ESA’s Gaia Mission Releases Data on More Than 1.8 Billion Stars | Astronomy | Sci-News.com
Astronomers from the Gaia Data Processing and Analysis Consortium released today the most detailed ever catalogue of Milky Way stars.
www.sci-news.com
천문학자들은 수년 동안 지구에서 별까지의 정확한 거리를 측정하려고 시도하고 있었으며, 그 시도의 하나가 ESA의 가이아 계획입니다. 가이아 계획은 지구에서 약 150만 km의 거리에 있는 라그랑주 점(Lagrangian point)에 우주망원경을 발사하여 지구의 공전과 함께 태양을 돌면서 별의 위치를 관측하는 것입니다.
지구에서 별까지의 거리를 측정하려면 지구의 공전 운동에 의해 생기는 시차의 영향에서 멀리 떨어진 별의 위치가 변화해 보이는 '연주시차'라는 현상을 이용합니다. 그러나 지구상에서는 관측 정밀도가 부족하여, 가이아 계획에선 중력으로 안정된 라그랑주 점에 발사한 우주망원경을 이용하여 별을 관측하고 있다고 합니다.
연주시차를 이용한 거리 측정에 대해 알기 쉽게 나타낸 아래의 이미지. 지구와 함께 태양 주위를 공전하는 가이아 우주망원경이 관측하는 별의 연주시차는 지구로부터의 거리가 짧은 별일수록 크고 먼 별은 작아집니다. 이 현상을 이용하여 가이아 계획은 항성까지의 정확한 거리를 측정하려고 합니다.
연주시차의 발상 자체는 오래전부터 존재했으며, 16세기의 천문학자인 티코 브라헤는 니콜라우스 코페르니쿠스가 주장한 지동설에 대해 '지구가 1년 주기로 태양 주위를 이동하고 있다면, 반년동안 별에 대한 각도가 변화하여 연주시차가 발생할 것'이라고 생각했습니다. 그러나 브라헤의 관측에서 연주시차가 관측되지 않았기 때문에 브라헤는 천동설을 주장했습니다.
브라헤가 연주시차를 검출할 수 없었던 이유는 항성이 지구로부터 너무 멀리 떨어져 있었기 때문이었습니다. 최초로 연주시차가 확인된 시기는 1838년으로 프리드리히 베셀이 백조자리 61에서 연주시차를 관측했습니다. 베셀은 관측한 연주시차로 '지구에서 백조자리 61까지의 거리는 10.3광년 떨어져 있다'고 추정했는데, 이 수치는 현대의 가이아 우주망원경이 산출한 '약 11.403광년'과 상당히 근접합니다.
백조자리 61은 지구에서 매우 가까운 항성이지만, 더 멀리 떨어진 항성은 매우 연주시차가 작기 때문에 감지하기 위해서는 특수장비가 필요합니다. 그런 멀리 떨어진 별의 연주시차를 더욱 정밀하게 측정하기 위해 설계된 것이 가이아 우주망원경으로, 10억 픽셀의 해상도를 가진 카메라에 상당하는 CCD 이미지센서를 106개 탑재하여 하루 5억 개 이상의 별을 관측하고 있습니다.
영국 가이아 계획 데이터처리 분석 컨소시엄의 프로젝트 매니저인 Floor van Leeuwen 박사는 "가이아 우주망원경은 수천 광년 떨어진 수억 개의 천체의 거리를 '2000km 이상 떨어진 위치에서 보이는 머리카락의 굵기'도 검출할 수 있는 정밀도로 측정하고 있습니다"라고 설명합니다. 가이아 우주망원경의 데이터는 천체물리학의 발전에 중요한 재료중 하나가 되었다고 합니다.
2013년에 발사된 가이아 우주망원경은 지금까지 2016년과 2018년 두 차례에 걸쳐 데이터세트를 출시했고, 2020년 12월 3일에는 'Gaia Early Data Release 3(EDR3)라는 세 번째 데이터세트가 출시되었습니다. 이번 출시는 2부 구성 중 하나이며, 전체 자료는 2022년으로 예정되어 있습니다.
EDR3에서는 사상 최다인 18억 개 이상의 별에 대한 자세한 정보가 공개되어, 세계 각국의 천문학자들은 대량의 데이터에 흥분하고 있다고 합니다. 시카고대학의 연구자인 웬디 프리드먼 씨는 "우리는 정보에 압도되고 있습니다"라며 기뻐했고, 2011년에 우주의 가속 팽창에 관한 연구로 노벨물리학상을 수상했던 존스홉킨스대학의 애덤 리스 씨는 "나는 더없이 기쁘게 생각합니다"라고 말합니다.
리스 씨의 연구팀은 EDR3의 데이터세트를 기본으로 한 우주의 팽창속도에 관한 논문을 발표했는데, 우주의 팽창속도를 나타내는 허블상수는 73.2km 초당메가파섹으로, 그 오차는 1.8%라고 보고했습니다. 이것은 지구로부터의 거리가 1메가파섹 멀어질 때마다 우주의 팽창속도가 초당 73.2km 빨라진다는 것을 보여주고 있으며 지금까지 상정되었던 67km 초당메가파섹 값을 웃돌고 있습니다. 리스 씨 연구팀은 EDR3 데이터세트에서 새롭게 밝혀진 75개의 Cepheid 변광성의 연주시차를 이용하여 우주의 팽창률을 재조정했다고 말합니다.
기존의 우주론에서 예측되는 허블상수가 최신 데이터에 근거한 허블상수와 일치하지 않았고 '우주가 예상보다 빠른 속도로 팽창하고 있다'라는 수수께끼는 이전부터 지적되고 있었습니다. 리스 씨 연구팀이 발표한 이번 논문을 통해 이전보다 정확도가 향상된 EDR3의 데이터세트에서도 같은 불일치가 확인된 것입니다.
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