우주론에서 암흑에너지의 존재를 알려주는 관측 결과와 이론적 배경

Abstract

This study is on the dark energy which is a controversial issue in the field of the modern cosmological theory. So far there has been no distinct fact on the dark energy. But we encounter the observed evidence that the universe expands acceleratedly. Scientists introduced terminology of dark energy to explain the phenomenon that the universe is not static but expanding. Scientists discovered that the 73% of the universe is dark energy. Chapter 2 briefly summarizes historical background of the expansion of the universe such as big bang and inflation theory. Chapter 3 shows the practical observed evidence that the universe is expanding. A notable examples are type Ia supernovae, CMB(Cosmological Microwave Background) and LSS(Large Scale Structure). Chapter 4 gives a chance to see various types of theory explaining the dark energy like the cosmological constant and quintessence energy field theory. With high-precision cosmological observations we are now able to deepen our understanding of the Universe. But we still do not know the physical nature of dark energy, and no theoretical model has succeeded to explain it convincingly. It is only by astronomical experiments that we can hope to enlighten the dark energy mystery. We live in a very exciting time where fundamental changes in the understanding of our world might be just around the corner. This study ends with a brief discussion of the fate of the universe in dark energy models.;본 연구는 현대 우주론(cosmological theory)에서 최근 이슈인 암흑에너지(dark energy)가 출현하게 된 배경이 무엇인지 조사하였다. 아직까지 암흑에너지에 관해서 명확히 밝혀진 사실은 없다. 그러나 인류는 현재 우주가 가속 팽창하고 있다는 증거들을 관측하였다. 우주가 정적이지 않고 가속 팽창하고 있다는 현상을 설명하기 위하여 천체물리학자들은 음압의 일종인 암흑에너지 개념을 도입하기에 이르렀고 지금은 약 73%의 암흑에너지가 우주를 구성하고 있다고 주장하고 있다. 중력과는 다르게 밀어내는 반중력(antigravity)의 성격을 가지고 있다고 알려져 있는 암흑에너지가 현대 물리학에서 어떻게 기술되고 있는지 알아보았다. 먼저 우주 팽창 이론이 나오게 된 역사적 배경과 팽창 우주론의 대표라 할 수 있는 빅뱅 이론(Big theory)과 빅뱅 이론의 문제점을 수정 보완한 인플레이션 이론(Inflation theory)을 간단히 소개하고 최근에 와서 거의 표준화된 우주 진화 과정에 대해서도 간단히 기술하였다. 3장에서는 우주가 가속 팽창한다는 증거인 실험적 관측 자료들을 제시하였다. 표준 촛불(standard candle)인 Ia형 초신성(Type Ia Supernovae)의 적색편이(redshift)를 관측하여 초신성이 속해있는 각 은하들이 멀어지는 속도를 기록한 자료를 찾아, 현재 우주가 가속 팽창한다는 증거라고 주장하는 논문들에서는 이 자료를 어떻게 해석하는지 알아보았다. NASA(National Aeronautics and Space Administration)에서 쏘아올린 위성인 COBE(Cosmic Observer Background Explorer)와 WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)에 의해 촬영된 우주배경복사(CMB: cosmic microwave back- ground radiation)는 우주가 가속 팽창한다는 증거를 제시한다고 한다. NASA에서 발표한 우주배경복사 데이터를 찾아보았다. 우주를 구성하고 있는 은하(Galaxy), 은하단(Clusters of Galaxies), 초은하단(Superclusters of Galaxies)의 위치를 조사하여 우주의 구조를 연구하는 우주 거대 구조(LSS: Large Scale Structures)연구에 대해서도 간단히 알아보았다. 1917년에 발표한 아인슈타인의 우주상수(cosmological constant)를 과학자들은 우주의 가속팽창을 설명하는 첫 번째 이론이라고 한다. 아인슈타인의 생전에 자신의 실수라고 기술하였던 우주상수가 왜 최근 다시 표면위로 나와 우리가 여기서 이야기 하는 암흑에너지의 유력한 후보가 되었는지 알아보았다. 이 우주상수가 암흑에너지를 어떻게 설명하는지 최근 발표된 논문들을 중심으로 찾아보았다. 암흑에너지를 설명하는 다양한 이론들이 최근에 제안되고 있다. 그 이론들 중 quintessence 에너지 장이론, string theory, brane cosmology, the holographic principle 등을 간단히 알아보았다. 물론 이 연구에서 제시한 여러 이론들 역시 아직까지 암흑에너지를 완전히 기술할 수 있는 것은 아니다. 앞으로 암흑에너지를 완전히 이해하기 위해서는 현존하는 물리학과는 다른 새로운 이론이 나와야 할지도 모르지만, 우리가 알 수 있는 분명한 사실은 관측결과 지금 현재 우리가 살고 있는 우주가 가속팽창하고 있다는 것이다. 그리고 앞으로도 계속 이 현상을 규명하기 위하여 많은 연구가 진행되어야 한다고 생각한다.