우주의 기하학은 매우 복잡하며 지금까지의 기술로는 우주의 모양을 결정할 수 없다

by moritz320 / https://pixabay.com/photos/soap-bubbles-soap-blow-bubble-fun-3710095/

우주의 구조에 대해서는 '팽창을 계속하는 열린 우주', '수축하는 닫힌 우주', '팽창도 수축도 하지 않는 평탄한 우주'라는 가설이 존재하고 어느 가설이 맞는지는 밝혀지지 않았습니다. 그런 우주의 구조에 대해서 국제적인 연구팀 'COMPACT Collaboration'이 우주의 구조는 지금까지 생각되고 있던 것보다 복잡할지도 모른다는 연구결과를 2024년 4월에 발표했습니다.

Physics - The Universe’s Topology May Not Be Simple
https://physics.aps.org/articles/v17/74

The Universe’s Topology May Not Be Simple

The universe may have a complex geometry — like a doughnut
https://www.sciencenews.org/article/universe-geometry-doughnut-physics

The universe may have a complex geometry — like a doughnut

우주는 빅뱅에서 탄생한 후 빠르게 팽창한 것으로 알려져 있습니다. 그 후도 팽창을 계속하는 우주의 미래상에 대해서는 이대로 무한하게 계속 퍼져나가는 열린 우주설과 일정한 질량까지 팽창하고 나서 수축한다는 닫힌 우주설이 있는 것 외에 우주의 질량이 특정 수준에 도달해도 수축하지 않고 크기가 유지된다는 평탄한 우주설도 존재합니다.

한편 우주의 전체상은 빅뱅이 일어난 순간의 양자 프로세스, 즉 원자의 입자보다 작은 영역에서의 구조의 성립에 의해 결정되었다고 생각되고 있습니다. 우주의 형태, 즉 우주의 토폴로지를 확인할 수 있다면 초기 우주의 모습에 대한 중요한 통찰력을 얻을 수 있기 때문에 연구자들은 우주를 관측하여 단서를 찾고 있습니다.

우주의 토폴로지에 관한 연구 중에서 중요시되고 있는 것이 우주 탄생으로부터 38만 년의 시점에서 발산된 광자인 '우주 마이크로파 배경복사(CMB)'입니다. CMB는 '빅뱅의 잔불'이라고도 불리며, CMB를 관측함으로써 우주의 구조를 추측할 수 있다고 생각됩니다. 2018년에는 유럽우주기관(ESA)이 CMB 관측위성 '플랑크'의 상세한 관측데이터를 공개했습니다. 이로 인해 우주의 구조에 대한 규명이 진행될 것으로 기대됩니다.

우주의 토폴로지를 보여주는 유력한 가설의 하나로 '우주는 토러스 구조'라는 것이 있습니다. 토러스 구조는 간단하게 말하면 도넛과 같은 모양으로, 옛날 RPG처럼 상하좌우 어느 방향으로도 루프가 성립하는 것이 특징입니다. 만약 우주가 토러스 구조라면 CMB의 관측데이터 속에 정확히 같은 CMB의 특징을 가진 지점이 여러 곳 나타날 것이지만, 플랑크와 같은 대규모 관측 프로젝트에서도 해당 데이터는 발견되지 않았습니다.

폐쇄루프가 성립하는 구조는 심플한 토러스 구조뿐만 아니라 직육면체를 비틀어 고리로 한 구조 등 많이 존재합니다. 이번 연구에서는 폐쇄루프가 성립하는 17종의 구조를 대상으로 우주가 각 구조에 적합할 가능성을 검토했습니다. 그 결과 우주가 복잡한 루프구조를 하고 있는 경우 같은 우주 영역에서도 루프 후에는 외형이 달라지는 것으로 밝혀졌습니다. 즉 정확히 동일한 CMB의 특징을 가진 지점을 찾는 기존의 기술은 루프구조를 놓칠 수 있다는 것입니다.

연구팀은 우주의 토폴로지 규명을 위해 앞으로도 루프구조의 분석을 진행할 것이라고 합니다.