[물리학] 2011년 – 초신성 관찰을 통한 우주 팽창의 가속화 발견(사울 펄무터, 브라이언 슈미트, 아담 리스)

2011_SaulPerlmutter_physics

  • 1959 ~
    사울 펄무터

    Saul Perlmutter

    미국의 천체물리학자. 1959년 미국 일리노이주 섐페인어배나의 독일계 유대인 집안에서 태어나 필라델피아의 마운트에어리(Mount Airy)에서 어린 시절을 보내고 1981년 하버드대학교에서 학사학위를, 1986년 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스에서 물리학 박사학위를 취득하였다.
    이후 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스 물리학과 교수가 되었고, 초신성 관찰을 통하여 우주의 가속도 팽창을 밝혀낸 공로로 2011년 노벨 물리학상을 공동 수상하였다.

  • 2011_BrianPSchmidt_physics
    1967 ~
    브라이언 슈미트

    Brian P. Schmidt

    미국의 물리학자. 하버드대학교에서 애덤 리스(Adam Riess)와 함께 로버트 커시너(Robert Kirshner) 교수의 지도를 받아 1992년 천문학 석사에 이어 1993년 박사학위를 취득하였다.
    이후 오스트레일리아국립대학교의 마운트스트롬로 천문대 연구원이자 교수로 재직했으며, 사울 펄뮤터와 같은 시기에 독자적으로 초신성(supernova) 관찰을 통하여 우주의 가속도 팽창을 밝혀낸 공로로 2011년 노벨 물리학상을 공동 수상하였다.

  • 2011_AdamGRiess_physics
    1969 ~
    아담 리스

    Adam Riess

    미국의 물리학자. 1992년 매사추세츠공과대학교(MIT)에서 학사학위(물리학 전공, 역사학 부전공)를 취득하였였고, 대학원 과정은 하버드대학교에서 브라이언 슈밋(Brian Schmidt)과 함께 로버트 커시너(Robert Kirshner) 교수의 지도를 받아 천체물리학을 전공하였고, 1994년 석사학위에 이어 1996년 박사학위를 취득하였다.
    2006년 존스홉킨스대학교 교수가 되었으며 초신성(supernova) 관찰을 통하여 우주의 가속도 팽창을 밝혀낸 공로로 2011년 노벨 물리학상을 공동 수상하였다.

수상 업적

The Nobel Prize in Physics 2011 was divided, one half awarded to Saul Perlmutter, the other half jointly to Brian P. Schmidt and Adam G. Riess “for the discovery of the accelerating expansion of the Universe through observations of distant supernovae”.

2011년 노벨 물리학상은 “초신성 관찰을 통해 우주 팽창의 가속화를 밝혀낸 공로”를 인정하여 솔 펄뮤터에게 수여되었고, 또한 브라이언 슈미트와 애덤 리스에게 공동 수여되었습니다.

수상 추천문

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분
덴마크의 과학자이자 시인이며 디자이너인 피트 하인의 짧은 시 “Nothing is indispensable(쓸모 없는 것은 없다)”를 인용하며 시작해보겠습니다. 이 시는 온 우주에 과대망상을 경계하라는 의미를 담고 있습니다.
그들이 말하는 것처럼 우주가
거대할지는 몰라도
애초에 존재하지 않았다면
잃어버릴 것도 없을 것이거늘
아마 우주가 존재하지 않았다면 단언컨대 오늘 우리가 여기에 앉아 있지도 않았을 것입니다.
인간은 행성이나 별, 은하와 마찬가지로 우주의 일부분일 뿐입니다. 우리 몸 속에 있는 모든 세포의 구성단위들, 이를테면 탄소, 산소, 그 외의 원자들은 100억년 전 은하수에서 폭발한 오래된 별 속에서 형성됐으며 태양계가 생겨나기 훨씬 오래 전 그 요소들이 합쳐져 행성을 이루었습니다. 은하, 별 그리고 행성은 우리가 그러하듯 똑 같은 자연적 힘, 특히 중력에 의해 영향을 받으며 이 중력은 행성의 궤도를 결정하고 별의 수명 주기에 영향을 줍니다. 물론 우리의 발이 땅을 딛고 있게 해주는 원인이기도 합니다. 우리 자신을 이해하기 위해서는 우주를 이해하려고 노력하는 것이 마땅할 것입니다.
올해의 노벨 물리학상은 별의 폭발과 중력, 다시 말해 전 우주에 관한 연구에 대해 수여하게 됩니다.
만원경으로 먼 은하를 관찰하던 거의 100년 전의 과학자들은 우주가 점점 커지고 있다는 사실을 발견했습니다. 오븐에서 건포도 케이크가 부풀어 오를 때 건포도 사이 사이가 점점 벌어지는 것처럼 은하들 간의 거리가 계속해서 늘어나고 있습니다. 역으로 생각해보면 이러한 팽창이 140억 년 전부터 시작되었음을 알 수 있습니다. 영국의 천체물리학자 프레드 호일이 빅뱅이라 일컬었던 원시 폭발 말입니다. 과거 50억년 간 우리 태양계가 형성된 이후로 우주는 그 크기가 두 배에 달했고 계속해서 팽창하고 있습니다. 하지만 우주의 모든 물질은 중력 때문에 다른 물질에 서로 달라붙습니다. 은하 간의 거리는 영원히 빠른 속도로 증가할 수 없고 그 팽창은 결국 느려질 수밖에 없는데 우주가 1입방 미터에 6개 이상의 원자를 포함하게 되면 이 팽창은 멈춰질 것으로 계산할 수 있습니다. 우주는 줄어들기 시작했고 결국 빅뱅의 반대 상황인 빅 크런치, 즉 우주 대수축에 이르게 될 것입니다. 이것이 과연 우주의 운명일까요?
이 문제에 답하기 위해선 우주의 팽창 속도가 시간의 경과에 따라 변화되고 있는지를 연구할 필요가 있습니다. 다행스럽게도 우리는 “타임 머신”을 이용할 수 있습니다. 멀리 있는 별에서 발원하여 만원경에 와 닿는 빛은 수백만, 심지어 수십억 년 동안 우주 공간을 가로 질러 오다가 서서히 적색으로 변합니다. 우주 공간 자체가 확장되고 있기 때문입니다. 아인슈타인의 일반 상대성 원리에 의해 허용된 팽창하는 우주에 대한 모델을 사용하여 여러 다른 대상에 대해 측정된 적색편이를 비교해보면 실제 우주를 설명할 수 있는 모델을 발견할 수 있을 것입니다. 이 적색편이는 거리로서 해석될 수 있지만 이러한 해석은 이를 테면 방사량이나 물질 같은 다양한 형태의 에너지 간의 균형에 대한 모델에서의 여러 가지 가정에 따라 달라집니다. 이러한 모델 기반 거리를 동일한 객체에 대해 수행된 또 다른 독립적인 거리 측정치와 비교할 수 있다면 우주에서의 에너지 균형을 가늠할 수 있을 것입니다. 하지만 그러기 위해선 어마어마한 거리를 가로지르는 수십억 광년 떨어진 물체를 육안으로 볼 수 있어야 한다는 난점이 있습니다.
오늘 노벨 물리학상의 영예를 안게 된 과학자들은 멀리 떨어진 별의 폭발, 즉 초신성에 대해 연구했습니다. 이러한 사건은 어마어마한 양의 에너지를 방출합니다. 2-3주간에 걸쳐 하나의 초신성은 한 은하에 있는 수천억 개의 별들보다 더 많은 빛을 내보냅니다. 별들은 다양한 방법으로 산산조각이 나지만, 몇몇 특별한 경우에는 항상 동일한 양의 빛을 방사한다고 합니다. 이러한 폭발은 별빛을 유심히 관찰하면 인식할 수 있는데, 방사되는 빛의 양은 항상 동일하기 때문에 빛의 강도에 따라 그 거리가 결정됩니다. 즉, 초신성은 거리가 멀수록 더 희미하게 보입니다.
하지만 우주는 광대하며 바로 그러한 초신성을 발견하는 것이 우리 과학자들에게 도전과제가 아닐 수 없습니다. 오늘의 수상자들과 그 연구팀은 디지털 기술과 새롭게 고안된 효율적인 방법을 사용하여 반복적으로 하늘의 조각조각을 관찰하고 수천 개의 이미지를 비교했습니다. 수십 개의 초신성이 발견되었고 세계 최대 만원경을 이용해 초신성의 유형과 밝기가 측정됐으며 적색편이에 의해 그 거리가 가늠되었습니다.
우주의 팽창 속도가 점점 느려졌다면 초신성은 예상했던 것보다 훨씬 희미해 보였을 것입니다. 하지만 실제로 우주는 점점 더 빠른 속도로 팽창하고 있습니다.
과연 무엇이 우주의 팽창속도를 높이고 있을까요? 암흑 에너지라는 특별한 형태의 에너지 때문입니다. 이 에너지가 우주를 밖으로 밀어냅니다. 우주 상수라는 유사한 형태의 에너지가 일찍이 1917년 아인슈타인에 의해 논의되었다가 후에 그의 이론에서 누락되었습니다. 암흑 에너지는 우주 전체 에너지의 73%를 차지하며, 이는 지난 10년간 은하가 광대한 거리에 걸쳐 분산됐다는 사실과 우주배경복사에 대한 연구로 확인되었습니다.
초신성 연구로 팽창이 가속화된다는 발견은 예상 밖의 극적인 방식으로 우주에 대한 우리의 생각을 바꿔놓았습니다. 우리는 주로 우리가 알고 있는 평범한 요소로 구성된 우주에 살고 있다는 사실을 알게 되었습니다. 이제 전세계 과학자들은 이 암흑 에너지를 철저히 파헤쳐 그 실체를 밝혀야 하는 과제를 떠안고 있습니다. 피트 하인의 모토를 잠깐 소개해보겠습니다.
문제는 공략하여 해결하지 않으면
반격으로서 그 심각성을 입증할 것이다.
펄뮤터 교수님, 슈미트 교수님, 리스 교수님
스웨덴 왕립과학원은 먼 초신성을 관찰하여 우주의 팽창이 가속화되고 있다는 사실을 발견해 낸 공로를 인정하여 노벨 물리학상을 수여하기로 결정했습니다. 스웨덴 왕립과학원을 대표하여 깊은 존경과 찬사를 보냅니다. 이제 전하께 나아가 노벨상을 수상하시겠습니다.

스웨덴 왕립과학원, 노벨 물리학위원회 올가 보트너