국내 연구진이 뉴턴-아인슈타인 표준중력이 약한 가속도에서 붕괴한다는 증거를 내놨다.

세종대학교(총장 배덕효)는 채규현 물리천문학과 교수가 장주기 쌍성의 궤도운동의 새로운 분석을 통해 뉴턴-아인슈타인 표준중력이 약한 가속도에서 붕괴한다는 새로운 증거를 얻었다고 9일 밝혔다.

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

채 교수는 지난해 650광년 이내의 거리에 있는 2만6500여 개의 장주기 쌍성 분석을 통해서 표준중력 붕괴의 결정적 증거를 이미 출판한바 있다. 이번 연구에서는 관측 안 된 추가 별을 내포할 가능성이 있는 쌍성계를 모두 제거함으로써 순수한 쌍성계만을 얻어 분석했다.

채 교수는 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 밝혀냈다.

두 알고리즘에 의한 결과는 일치하며 2023년에 일반 샘플에 대해서 얻어진 결과와도 잘 일치한다(그림 1). 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.

채 교수는 "이러한 일관된 연구 결과는 중력이 자신의 속성을 드러낸 것임을 의미한다"라며 "이것은 놀라운 결과이고 전통적인 관점에서는 받아들이기 어려운 것"이라고 설명했다. 강한 중력 영역에서는 아인슈타인의 일반상대성이론에 의해서 뉴턴의 만유인력이 수정됐지만 일반상대성이론 조차도 약한 중력 영역에서는 뉴턴역학과 만유인력을 보존하는 게 정설이였기 때문이다. 그런데 이번 연구 결과 쌍성의 역학이 약한 가속도에서 이러한 표준중력에 위배되는 것으로 나타난 것이다.

채 교수는 "중력에서 패러다임 전환이 이미 시작됐다고 볼 수 있다"라며 "우주의 천체들과 우주 자체는 중력의 지배를 받기 때문에 천체물리와 우주론에서 중대한 변화가 도래할 것"이라고 말했다. 아울러, 표준중력에 의해 이론적으로 요구되는 암흑물질, 더 나아가서 암흑에너지에 대한 재해석이 불가피하게 됐다는 게 채 교수의 설명이다.

조만간 세 번째 방법을 통한 후속 연구 결과도 공개할 예정이다.

이 연구 결과는 미국 천문학회에서 발간하는 천체물리학저널(The Astrophysical Journal)에 지난 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).