[파이낸셜뉴스] 고등과학원 물리학부 박창범 교수는 한국과 미국, 중국 등 국제공동를 통해 세계 최초로 우주 가속팽창을 일으키는 암흑에너지가 아인슈타인의 우주상수가 아니라, 시간에 따라 크기가 달라질 수 있는 '제5원소' 가능성을 제시했다. 연구진은 우리 우주가 우주상수로 가득 차 있다는 기존 평탄한 'ΛCDM 표준 우주 모형'의 이론적 뼈대를 근본적으로 부정했다. 암흑에너지의 상태방정식 값을 측정한 결과 기존의 우주상수와 들어맞을 확률은 0.02% 정도에 불과하기 때문이다. 7일 고등과학원에 따르면, ΛCDM 우주 모형은 우주의 가속팽창을 일으키는 암흑에너지가 아인슈타인의 우주상수라고 가정한다. 암흑에너지의 성질을 이해하기 위해, 압력과 밀도의 비율인 상태방정식 값을 측정한다. 지난 20여 년간, 큰 규모의 물질 밀도 요동, 초신성의 밝기, 바리온음향진동의 크기 등 다양한 관측을 이용해 암흑에너지의 상태방정식과 우주공간의 곡률을 측정했다. 지금까지는 모든 결과가 오차 범위 안에서 우주상수의 상태방정식 값인 -1에 부합되서, 평탄한 ΛCDM 모형은 표준 우주 모형으로 불렸다. 반면, 연구진은 암흑에너지의 상태방정식 값을 정밀하게 측정해 그 값이 -1과 분명히 다르다는 것을 세계 최초로 밝혀냈다. 이 연구는 적색이동 값이 0.8까지 도달하는 거대한 은하 탐사인 슬로운디지털천구측량(SDSS) 자료를 이용했다. 연구진은 SDSS의 은하들이 뭉쳐 있는 형태가 시간에 따라 거의 바뀌지 않는다는 성질을 발견하고 이를 알콕-파친스키 방법이라는 우주의 팽창 역사 측정법에 적용했다. 이번 연구에서 측정한 우주의 팽창 역사에 따르면, 우리 우주의 팽창 가속도는 ΛCDM 우주 모형에서 예상되는 정도보다 적다. 측정한 암흑에너지의 상태방정식 값은 -0.903이고, 불확실성은 0.023이다. 이번 결과가 상태방정식 값이 -1인 우주상수 모형과 부합할 확률은 0.02% 정도에 불과하다. 연구진은 "우리 우주의 가속팽창을 일으키는 암흑에너지는 우주상수가 아니라, 일종의 '제5원소'여야 한다"고 주장했다. 연구진은 현재 SDSS보다 우주를 더 깊이 볼 수 있는 차세대 은하 탐사인 암흑에너지분광장비(DESI) 탐사 자료에 같은 방법을 적용해, 암흑에너지의 상태방정식 값이 시간에 따라 어떻게 변하는지에 관한 후속 연구를 수행 중이다. 연구진은 "만약 이 연구의 결과가 DESI 자료에서 재확인된다면, 우리 우주를 설명하는 패러다임이 바뀌어야 한다"고 말했다. 박창범 교수는 "이번 연구 결과는 우주론 연구에 두 가지 어려운 숙제를 던져준다"고 밝혔다. 우선 이 연구에서 구한 우주의 최근 팽창 역사와 우주배경복사 관측으로부터 얻은 초기 우주의 팽창 역사가 서로 맞지 않는 문제가 있다. 박 교수는 "기존 ΛCDM 우주 모형에서 물질과 암흑에너지의 양과 특징을 약간 바꾸는 정도로는 상반된 관측 결과를 설명할 수 없다"고 말했다. 두번째는 만약 우주의 가속팽창 속도가 기존 ΛCDM 우주 모형보다 더 크다면 최근의 우주와 우주배경복사에서 각각 구한 허블상수 값이 일치하지 않는다는 문제(허블상수 문제)는 해결할 수 있다. 하지만, 이번 연구에서 측정한 암흑에너지 상태방정식을 설명하기가 더욱 어려워진다. 박 교수는 "반대로 이번 연구처럼 암흑에너지의 상태방정식 값이 -1보다 크다면, 허블상수 관측값 불일치는 기존 ΛCDM 우주 모형에서보다 더 심각해진다"고 설명했다. 그는 마지막으로 "현재 ΛCDM 표준 우주 모형 외에도 다양한 암흑에너지와 우주 모형이 존재하는데, 이중에는 이번 연구에서 구한 암흑에너지의 상태방정식 값을 가지면서 동시에 허블상수 관측값 불일치도 해결할 가능성이 있는 이론도 여럿 존재한다"며, "앞으로 차세대 은하 탐사를 통해 암흑에너지의 상태방정식 값 문제를 보다 확실히 해결하는 후속 연구와, 지난 수십 년 간 ΛCDM 표준 우주 모형이 일궈낸 성과를 훼손하지 않으면서도 이번 연구 결과도 잘 설명할 수 있는 새로운 우주 모형을 만드는 후속 연구가 필요하다"고 말했다. 한편, 연구진은 이번 연구결과를 천체물리학저널에 8일자로 발표했다. 이번 연구는 박창범 교수와 중국원난대 동 푸유 교수, 한국천문연구원 홍성욱 박사, 고등과학원 김주한 연구교수, 서울대 황호성 교수, 로렌스 버클리 국립연구소 박현배 박사, 아시아태평양이론물리센터 스티븐 애플비 교수가 참여했다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 디지털 트윈으로 핵융합로를 만들어 핵융합발전 기술을 개발한다. 또 멀티봇을 개발해 손상된 신경을 재생해 장애를 극복한다. 이와함께 천문학과 인공지능을 활용해 아직까지도 밝혀지지 않은 암흑에너지를 규명해 낸다. 과학기술정보통신부는 기발한 아이디어를 이용해 아직까지 해결하지 못한 과학에 도전하는 '과학난제도전 융합연구개발사업'을 추진한다고 22일 밝혔다. 이를 위해 이날 2021년도 신규 과제를 선정하고 3개의 선도형 융합연구단이 공식 출범했다. 과기정통부는 이들 연구단에 5년간 각각 총 90억원을 투입해 기존에 시도하지 않은 난제도전형 연구를 진행한다. 이번 출범한 선도형 융합연구단은 서울대 황용석 교수가 지휘하는 구형토카막(ST) 핵융합메타웨어 연구단, 전 한국천문연구원 원장이자 서울대 이형목 교수가 이끄는 중력파우주 연구단, 대구경북과학기술원 최홍수 교수의 표적신경회로재생 연구단이다. 3개 연구단은 그동안 해결하지 못한 과학난제를 기초과학과 공학의 융합연구로 혁신적인 방법으로 세계 최고이자 최초, 유일한 성과 창출을 목표로 한다. ■디지털 트윈으로 핵융합 먼저 ST핵융합메타웨어 연구단은 핵융합 플라즈마 난제를 해결해 인공태양 발전소 구축 현실화를 목표로 한다. 현재 핵융합연구는 1988년 설계를 시작으로 2025년 완공을 목표로 하는 국제핵융합실험로(ITER)를 중심으로 장치 성능 향상 등을 진행하고 있다. 연구단은 장치 대형화로 인한 개발비용과 물리적 한계를 극복하는데 초점을 두고 있다. 1단계에서는 디지털트윈을 만들어 검증하고, 2단계는 고성능 컴퓨팅 기반의 가상 핵융합로를 구축한다. 이를 통해 단기간내 저비용으로 소형 ST 핵융합 발전로 구축 기반을 확보한다. ■멀티봇이 신경을 살린다 표적신경회로재생 연구단은 신경세포를 잃은 난치성 신경 질환자 회복을 목표로 한다. 연구단은 뇌 신경망 형성을 위한 줄기세포 등에 자성을 부여하고 제어가 가능한 멀티봇을 개발한다. 이를 위해 실제 신경 조직과 동일한 수준의 도파민 신경회로망을 재건하고, 전임상시험을 통한 안전성과 유효성을 검증한다. 신경망 재건 기술을 통해 파킨슨 운동장애 등의 뇌질환 치료의 새로운 패러다임을 주도할 수 있을 것으로 전망된다. 또한 생명과학 및 의료서비스 분야의 성장을 위한 핵심 원천기술이 될 수 있을 것으로 기대된다. ■암흑에너지 실체를 밝힌다 중력파우주 연구단은 다중신호 천문학과 인공지능을 활용해 암흑에너지의 실체를 밝혀낸다. 암흑에너지는 우주의 가속팽창을 설명하는 핵심 개념이며, 아직 정체가 밝혀지지 않은 난제의 영역이다. 허블상수는 은하의 속도와 거리 사이의 관계를 나타내는 비례상수다. 이는 암흑에너지와 밀접한 상관관계가 있다. 이번 연구에서는 7차원적 망원경을 개발해 중성자별과 블랙홀 충돌에서 발생하는 중력파와 다양한 파장의 전자기파를 관측하고 통계분석한다. 천문·우주 분야의 경우 선진국과의 격차가 작고 본질적으로 국제 융합 연구가 요구되는 분야다. 연구단은 국제적 네트워크를 활용해 우주론 연구의 돌파구를 마련할 것으로 기대하고 있다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자