과학기술/기타

Nikkei Science_2016.11. 특집 (p30~61)

우주의 초거대구조


1. 은하수를 거느리는「라니아케아 초 은하단」
Noam I. Libeskind (독일 포츠담 천체물리학연구소) / R. Brent Tully (하와이 대학)

은하계가 지금까지 밝혀진 우주에서 가장 큰 초(超) 은하단(銀河團)에 속해있는 것으로 판명된 이 발견은 모든 우주의 지도를 그리는 연구의 최초의 한 걸음에 지나지 않는다.

[ Key concepts ]
새롭게 떠오른 초거대 구조

▶ 별들이 모여 성단과 은하를 만드는 것처럼, 은하는 은하단을 만들고, 그 은하단은 초 은하단을 만든다. 이것들의 초은하단이 모여 거대한 필라멘트와 시트를 형성하고 있고, 그 틈인 보이드와 함께, 우주에서 관측할 수 있는 최대규모의 구조를 만들어내고 있다.
 
▶ 가까이 있는 수 천의 은하의 움직임을 조사한 최근 연구에서, 은하계가 속한 초 은하단이 생각했던 것보다, 훨씬 더 거대하다는 것을 알게 되었다. 이 새로운 발견의 초거대한 구조를 「라니아케아 초 은하단」 라고 이름 지었다.

▶ 라니아케아와 그 주변의 초 은하단을 더 상세히 지도에 옮긴다면, 은하형성에 관해서 새로운 사실이 판명되고, 우주론의 2대 미스터리인 암흑물질과 암흑에너지를 밝혀내는 데에 기여할 것이다.

아득히 먼 은하를 여행하고 있고, 고향의 가족에게 그림엽서를 보낸다고 해보자. 주소는, 서양식으로 적으면, 집이 있는 동네의 번지수부터 시작하고, 그것들은 지구에 있고, 지구는 태양으로부터 3번째의 혹성이라고 하는 순서로 이어질 것이다. 그 태양은 은하계의 외각에 있는 소용돌이의 하나인 「오리온 팔」에 위치하고, 그 은하계는 50개를 넘는 주변의 은하와 함께 약 700만광년의 범위에 모여있는「국부(局部) 은하군」의 안에 있다. 이 국부 은하군은, 5000만 광년 떨어진 1000개 이상의 은하가 만드는「처녀자리 은하단」의 변두리에 위치한다. 게다가 이 처녀자리 은하단은, 1억 광년의 범위에 수백 개의 은하단이 모인 「국부 초 은하단」의 일부이다. 이런 초은하단은 우주의 대규모구조를 형성하는 최대의 구성요소이다 라고 생각되고 있다. 다수의 은하가 거대한 필라멘트와 시트를 형성하고, 그 이외의 곳은 은하가 거의 존재하지 않는「보이드」로 되어 있다.

앞서 말한 “우주주소”의 마지막 줄에 오는 것은, 최근까지 이 국부 초은하단이였다. 그 이상의 스케일로 보면, 초은하단이 아로새긴 명확한 시트 구조도 보이드도 특정하지 않은 상황이 되기 때문에, 주소를 적는 것에 의미가 없다고 생각되어 왔다.

하지만 2014년, 저자 중 1명(툴리)이 이끄는 팀은, 은하계가 터무니 없이 거대한 구조에 속해있는 것을 발견하고, 종래의 학계의 주장을 뒤집었다. 국부 초은하단은 심지어 거대한 초은하단의 일부분에 지나지 않는다는 것이다. 직경 4억광년의 범위에 10만개의 대형은하가 모인 초은하단이 존재한다.

이 터무니없는 구조를 발견한 팀은, 그것을「라니아케아 초은하단」 이라고 이름 붙였다. 라니아케아는 하와이의 말로 「무한한 하늘」을 의미하고, 별에 의존하여 광대한 태평양을 항해한 초기의 폴리네시아인을 기념하는 의미를 담고 있다. 그리고 은하계는 라니아케아 초은하단의 중심에서 멀리 떨어진 변방에 위치하고 있다.

라니아케아의 발견에는 “우주주소”에 새로운 한 줄이 추가되는 것 이상의 의미가 있다. 이 거대한 초은하단의 구조와 동태를 밝히는 것으로, 우주의 과거와 미래에 대해 보다 많은 것을 알 수 있을 것이다. 라니아케아를 구성하는 은하의 위치와 움직임을 지도에 그리면, 은하의 형성과 성장에 관해 이해할 수 있고, 암흑물질의 성질도 명확해 질 것이다. 암흑물질은 우주의 모든 물질의 약 80%를 차지하고 있다고 생각되는 눈에는 보이지 않는 물질이다.

또한, 암흑에너지의 연구에도 기여할 것이다. 암흑에너지는 1998년에 발견된 우주의 가속팽창을 구동하고 있는 불가사의한 힘으로, 우주의 최종적인 운명을 쥐고 있다. 그리고 “우주주소”의 마지막 줄이 라니아케아 초은하단이 아닐 가능성도 있다. 라니아케아는 발견되지 않은 더 거대한 구조의 일부일지도 모른다.

-- 은하의 흐름으로 궁금증을 풀다 --

-- 라니아케아의 발견 --

-- 우주형성의 안에서 --

-- 은하의 큰 움직임 --


2. 우주에서 가장 텅 빈 장소「슈퍼보이드」
István Szapudi (하와이 대학)

우주마이크로파배경복사의 전체지도에는 기묘한 저온영역이 있다. 그 원인을 밝히려고 분투하고 있던 연구자가 더 기묘한 구조를 발견했다. 물질이 거의 존재하지 않는 광대한 영역이다.

[ Key concepts ]
CMB 콜드스팟의 원인일까?

▶ 우주를 채우는 태고의 빛 우주마이크로파배경복사(CMB)에는, 불가사의한 영역 「콜드스팟」이 존재한다. 온도가 매우 낮은 영역이다.
 
▶ 콜드스팟의 방향에 거대한 저밀도영역 「슈퍼보이드」가 존재한다면, 콜드스팟을 설명할 가능성이 있다. 슈퍼보이드를 통과하는 CMB광자는 적분 삭스울페효과(Sachs-Wolfe effect, ISW)에 의해 에너지를 잃고, 그 온도가 낮아지는 것이다. 이 ISW효과는 우주가 가속팽창하고 있기 때문에 발새한다.

▶ 최근, 콜드스팟의 방향에 직경 18억광년의 슈퍼보이드가 발견되었다. 이 슈퍼보이드가 CMB의 콜드스팟의 원인인지 아닌지를 판명하기 위해서는 더 많은 양의 데이터가 필요하다.


평균이 절대온도 2.7K(-270.4℃)의 이 광자는 다양한 방향에서 날아오고, 「우주마이크로파배경복사(CMB)」를 구성하고 있다. 이 광자는 너무 오래되었기 때문에, 낯익은 CMB의 2차원 지도는 종종 「어린 시절의 사진」이라고 불린다. 우리가 현재 보고 있는 우주의 원초 상태를 훔쳐보는 창문을 제공해 주는 것이다.

하지만, 이 사진에는 조금 결함이 있다. 그 결함은, 표준적인 우주론에서는 잘 설명할 수 없기 때문에, 우리 물리학자는「Anomaly(이상)」이라고 부르고 있다. 그 중에도 최대의 어노멀리는, 2004년에 미항공우주국(NASA)의 윌킨슨 마이크로파 비등방 탐사기(WMAP)에 의한 CMB지도의 안에서 발견된 「콜드스팟」이라고 불리는 영역이다. 겉보기의 크기가 보름달 직경의 약 20배인 이 영역에서는, 태고의 광자가 이상하게 차갑다.

콜드스팟은 어린 시절의 사진에서 볼 수 있는 귀여운 “점”에 닮아있다. CMB의 장엄한 대칭성을 깨는 보기 흉한 “멍” 이라고 생각하는 사람도 있다면, 우주의 특징을 눈에 띄게 하고, 우리를 더욱더 흥분시키는 것으로 보고 있는 사람도 있다. 나는 후자다. 나는 이 CMB 어노멀리에 흥미를 가지고, 그 원인의 밝혀내기 위해 연구해 왔다.

이 난제는 과학자들 사이에서 활발하게 논의되어 왔다. 한 가지 설명은, 특정의 원인은 없고, 우연히 생성되었다고 보는 것이다. 하지만, 그 확률은 약 200분의 1로 낮다. 다른 설명에서는 흔한 것부터 엉뚱한 것까지 다양한 가능성이 제시되고 있다. 관측기기에 문제가 있었을지도 모르고, 콜드스팟은 별도의 우주와 숨겨진 차원으로의 입구인지도 모른다.

2007년, 나와 다른 우주물리학자는 우주의 기지의 특징에서 추측하는 것으로, 하늘의 콜드스팟의 방향에 물질과 은하가 상대적으로 적은 거대한 저밀도영역「슈퍼보이드」가 있다면 콜드스팟을 설명할 수 있다는 가설을 세웠다. 이 보이드(공동)은 우주에서 가장 텅 빈 영역이며, 상대적으로 밀도가 높은 영역에 둘러 쌓인 광대하고 드물게 불모지일 것이다.

이 가설에는 상당히 큰 의의가 있다. 그런 보이드가 실제로 존재하고, 우리들의 추측대로 콜드스팟의 원인이라면, 슈퍼보이드는 (복잡한 이유에서) 우주의 가속팽창을 일으키고 있는 원인이 되는 암흑에너지의 증거가 될 가능성이 있다. 현재, 나와 하와이대학의 동료는 그런 보이드의 존재를 확인하고, 그것이 실제로 콜드스팟을 설명할 수 있는 것을 나타내는 흥미로운 단서를 발견해나가고 있다.

-- 보이드에서 차갑게 식는 광자 --

-- 슈퍼보이드를 찾아서 --

-- 30억광년 이라고 하는 “근방”에서 --

-- 콜드스팟의 해명 --


3. 우주∙소립자연구의 미래
Takaaki Kajita (도쿄대학 우주선연구소)

[ Key concepts ]
연결되는 극대와 극미의 세계

▶ 작년 노벨 물리학상을 수상한 카지타 박사는 도쿄대학 우주선연구소장으로서 중력파와 뉴트리노, 감마선, 우주선, 암흑물질의 관측 프로젝트를 추진하고 있다.
 
▶ 현재, 우주물리학과 소립자물리학은 강하게 연결되고 있고, 이것들의 관측 프로젝트의 성과는 양쪽 분야에 큰 임팩트를 주는 것이 된다. 그 중요한 베이스로, 박사의 노벨상 수상 업적인 뉴트리노 진동의 발견이 있다.

불가사의하다고 생각되는 우주와 극미의 소립자에는 심오한 관계가 있다. 우주를 난비하는 입자「우주선」을 발견하고 1세기가 지난 지금도 기원을 모르지만, 우주선이 지구대기와 충돌하여 발생한 소립자「뉴트리노」를 관측하는 것으로, 질량 제로로 알려져 있던 뉴트리노가 질량을 가지고 있는 것이 밝혀졌다. 뉴트리노가 어떻게 해서 질량을 획득한 것인지는 소립자물리학의 수수께끼가 되어 있다.

우주가 탄생할 때, 물질과 반물질(입자와 반입자)는 등량 생성되었을 텐데 현재는 물질밖에 볼 수 없는 것도 큰 과제이지만, 그 과제해결의 열쇠는 뉴트리노에 있는 입자와 반입자의 움직임의 미묘한 차이에 있다고 생각하고 있다. 또한 우주에는 보통의 물질을 한참 상회하는 정체불명의 암흑물질이 존재하는 것이 천문관측에서 알려져 있고, 그 정체는 새로운 타입의 소립자 「암흑물질입자」라고 생각되고 있다.

우주를 광역 지배하는 것은 중력장이지만, 최근, 그 중력장의 흔들림에 의한 공간의 신축이 광속으로 전해지는 「중력파」가 직접 검출되었다. 그 중력파는 블랙홀의 연성이 충돌∙합체하여 생긴 것으로 밝혀졌다. 앞으로, 중력파의 연구가 진척된다면, 아직도 수수께끼투성이인 궁극의 물질상태인 블랙홀과, 중력을 전하는 소립자 「중력자」의 해명에 진척이 있으리라고 기대되고 있다.

이런 다양한 우주와 소립자의 수수께끼를 푸려는 세계각국의 치열한 연구경쟁이 펼쳐지고 있다. 일본에서, 그 중심에 있는 것이 작년 노벨 물리학상을 수상한 카지타 박사이다. 카지타 박사는 뉴트리노에 질량이 있기 때문에 발생하는 「뉴트리노 진동」이라고 하는 현상을 발견한 것이 수상업적이지만, 현재는 도쿄대학 우주선연구소장으로서 뉴트리노는 물론, 중력파와 우주선, 암흑물질 등의 다양한 우주∙소립자 관련의 연구프로젝트를 진행하고 있다.

이번, 닛케이사이언스 창간 25주년 기념의 인터뷰 형식으로 카지타 박사에게 우주∙소립자연구의 장래전망을 물어보았다. 이 분야의 연구에서는 박사의 노벨상 수상업적인 뉴트리노 진동이 상당히 큰 의미를 가지기 때문에, 인터뷰 전후에서는 박사가 어떻게 해서 뉴트리노 진동의 발견에 도달했는지, 그 과정을 물어보았다.

-- 중력파망원경에 주력 --

-- 뉴트리노에 「CP의 깨짐」 --

-- 초신성 배경 뉴트리노를 탐구 --

-- 하이퍼카미오칸데 계획 --

-- 감마선과 우주선, 암흑물질 --

-- 뉴트리노 연구의 길 --

-- 뉴트리노 진동의 징조 --

-- 슈퍼카미오칸데에서 결정타 --

-- 뉴트리노 물리학의 전개 --

-- 극대와 극소를 묶다 --

        -- 끝 --