빅뱅이 일어난 후 급속도로 팽창하던 초기 우주가 지금보다 시간이 느리게 흐르는 것처럼 보인다는 연구 결과가 나왔다. 알베르트 아인슈타인의 일반 상대성이론에 따라 빠른 속도로 움직이는 대상을 바라보면 시간이 느리게 흐르는 것처럼 보인다는 것은 이미 밝혀졌지만, 초기 우주에서 이를 확인한 것은 이번이 처음이다.
게라인트 루이스 호주 시드니대 물리학과 교수는 빅뱅이 일어난 후 10억년이 지난 시점에서 우주의 시간은 지금보다 5배 느리게 흐르는 것처럼 보였다고 이달 3일 밝혔다.
아인슈타인의 일반 상대성이론에 따르면 시간은 관찰자의 상태에 따라 다르게 흐르는 것처럼 보인다. 가령 빠른 속도로 움직이거나 중력의 영향을 더 많이 받으면 시간은 상대적으로 느린 것처럼 보인다.
미국의 천문학자 에드윈 허블은 외계 은하를 관찰해 이들이 지구로부터 멀어지고 있다는 사실을 발견하면서 ‘우주팽창설’을 주장했다. 우주팽창설에 따르면 초기 우주의 팽창 속도는 지금보다 빠르다. 즉 과거 우주의 시간이 지금보다 더 느리게 흐르는 것처럼 보여야 한다는 것이다.
루이스 교수는 “아인슈타인 덕분에 시간과 공간이 얽혀 있고, 빅뱅으로 시작된 우주가 팽창하고 있다는 것을 알게 됐다”며 “빅뱅이 일어난 후 10억년이 지난 시점을 관찰한 결과 지금보다 시간이 5배 느리게 가는 것을 실제로 관측했다”고 말했다.
시드니대 연구진은 초기 은하의 중심에 있는 초거대 질량 블랙홀인 ‘퀘이사(Quasar)’의 데이터를 분석해 초기 우주의 시간이 어떻게 흐르는지 관측했다. 지난 20년간 수집한 190개의 퀘이사 관측 데이터를 이용해 ‘표준 시계’를 만들었다.
표준 시계는 녹색광, 적색광, 적외선 등 서로 다른 3개의 파장을 분석해 관측 시점에 따라 시간이 얼마나 빠르게 흘렀는지 확인할 수 있는 기준으로 활용했다. 표준 시계를 빅뱅이 일어난 후 10억년이 흐른 시점으로 돌리자 시간이 현재보다 느리게 가는 것이 확인됐다. 앞서 퀘이사를 관측한 연구에서는 시간의 팽창을 확인하지 못한 것과 대조되는 결과다.
루이스 교수는 “초기 연구에서는 퀘이사를 통해 우주의 팽창과 시간 지연을 확인할 수 없었고 우주 확장에 대해 많은 의문이 풀리지 않고 있었다”며 “그러나 이번 연구에서는 새로운 데이터를 활용해 상대성이론에서 예측한 것과 같은 측정 결과를 얻을 수 있었다”고 말했다.
연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 천문학’에 이달 3일 소개됐다.
참고자료
Nature Astronomy, DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-023-02029-2