이 방법은 극도로 약한 내부 가속도로 궤도 운동하는 장주기 쌍성의 측정된 두 별 사이의 정밀한 3차원 속도에 대해서 베이즈(Bayes) 정리에 기반한 마르코 연쇄 몬테 카를로(MCMC: Markov Chain Monte Carlo) 시뮬레이션을 수행해 중력 상수의 확률분포를 얻는다. 이 연구에는 한국연구재단의 지원으로 획득한 고성능 전용 컴퓨터가 사용됐다.
연구 결과는 천문 및 천체물리 분야 세계적인 저널인 천체물리학저널(The Astrophysical Journal)에 의해 미국 현지시간 기준 2025년 5월 27일 화요일 온라인으로 공개됐다(논문 제목: Low-Acceleration Gravitational Anomaly from Bayesian 3D Modeling of Wide Binary Orbits: Methodology and Results with Gaia Data Release 3).
채 교수는 새로운 방법의 의미에 대해 “기존의 방법은 하늘로 투영돼 나타나는 2차원 횡단속도만을 사용한다는 한계 이외에도, 중력값의 확률분포를 얻을 때 별의 질량 등 여러 인자들의 오차들을 반영하는 데에 다소 제약이 있었다. 이번에 개발된 새로운 방법은 이런 한계들을 모두 극복하는 혁명적이고 궁극적인 방법이라 할 수 있다”며 “다만, 이 방법을 통해서 중력을 정밀하게 측정하기 위해서는 이미 정밀하게 측정된 횡단속도 이외에도, 시선방향(종단) 속도의 정밀한 값이 필요하다. 즉, 어느 정도 정밀한 시선속도 값이 측정된 쌍성에 대해서만 이 방법이 적용될 수 있다”고 설명했다.
장주기 쌍성을 통한 중력 연구를 2012년에 처음으로 제안한바 있는 멕시코의 하비에르 에르난데스(Xavier Hernandez) 교수는 “채 박사가 최신 논문을 통해 제안한 완전한 형태의 베이즈(Bayes) 접근법은 이 분야의 새로운 표준이 될 것으로 확신한다. 또한, 이 논문은 장주기 쌍성의 연구를 2차원 속도에서 3차원 속도로 전환하는 것의 개념증명을 보여주고 있다. 유효한 모든 정보를 완전하게 반영함으로써 얻어지는 정확도는 인상적”이라고 말했다.
제곱 초당 10억 분의 1미터 약한 가속도로 궤도 운동하는 장주기 쌍성들에서 추론된 중력 매개변수(표준중력으로부터 벗어난 정도를 나타냄)의 확률분포와 뉴턴-아인슈타인 표준중력의 비교. 표준중력은 99.997% 확률 바깥에 있다. 가는 파란 선들은 111개의 장주기 쌍성 개별적으로 추론된 확률분포를 보여준다. 사진=세종대
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채 교수는 새로운 방법을 가이아(Gaia) 우주망원경 데이터베이스에서 선별된 상대적으로 정밀한 300여 개 장주기 쌍성에 먼저 적용해 봤다. 이 초기 연구 결과는 지난 2년 동안 채 교수와 에르난데스 연구팀이 각각 2차원 속도 분석을 통해서 독립적으로 얻은 결과와 대체적으로 잘 부합한다. 즉, 제곱 초당 약 1억 분의 1미터보다 강한 내부 가속도로 궤도 운동하는 장주기 쌍성에서는 뉴턴-아인슈타인 표준중력이 잘 맞는다.
반면, 제곱 초당 약 10억 분의 1미터보다 약한 내부 가속도로 궤도 운동하는(즉, 두 별 사이의 거리가 약 2000 천문단위 이상인) 장주기 쌍성에서는 측정된 중력값이 표준중력 예측치와 통계적으로 유의미하게 다르다. 데이터로부터 얻어진 중력 매개변수(표준중력으로부터 벗어난 정도를 나타냄)의 확률분포에 의하면 표준중력은 4.2시그마(sigma) 벗어나 있다(그림2). 이는 표준중력이 99.997% 확률 바깥에 있음을 뜻한다. 뿐만 아니라 극도로 약한 가속도에서 확률이 가장 높은 중력값은 뉴턴 중력값 보다 약 40% 내지 50% 정도 큰데, 이는 수정뉴턴역학(MOND: modified Newtonian dynamics) 혹은 밀그롬 중력(Milgromian gravity)의 예측치와 잘 부합한다.
채 교수는 이번 연구의 의의에 대해 “극도로 약한 중력으로 묶여 있는 장주기 쌍성에서 중력값의 확률분포를 직접적으로 얻는 방법론이 가능하다는 것이 고무적이다. 이 방법론은 향후 약한 가속도에서 중력 연구에 결정적 역할을 할 것으로 기대된다. 또한, 기존 데이터베이스에 기초한 초기 결과가 지난 2년 동안의 기존 방법론에 의한 결과와 잘 부합되어 다행”이라고 말했다.
독일 본(Bonn) 대학의 파블 크루파(Pavel Kroupa) 교수는 이번 연구에 대해서 “채규현 교수는 장주기 쌍성을 활용해 정확도와 명확도 면에서 새로운 수준의 인상적인 중력 연구를 수행했다. 이번 연구는 이 분야를 크게 진보시키며, 데이터는 향후 개선될 것이지만, 이미 기존 데이터만으로도 중력이 뉴턴의 예측치에서 벗어남을 점진적으로 더 확실하게 보이고 있으며 밀그롬 중력의 예측치와 놀랍게 일치함을 알 수 있다. 이는 이론 물리와 우주론에 근본적으로 중요한 영향을 주는 연구 결과“라고 말했다.
장주기 쌍성의 연구 결과에 대해서 밀그롬은 자신의 생각을 ”장주기 쌍성에 대한 채 교수의 새로운 연구결과는 그와 다른 연구자들에 의한 이전 결과들을 중요한 방식으로 뒷받침한다. 연구 결과들은 우리은하에 속해있는 쌍성들이 약한 내부 가속도에서 뉴턴역학의 예측으로부터 벗어남을 보여준다. 이러한 중력 이상(anomaly)은 그 자체로 존재할 수 있다. 그러나 더욱 흥미로운 점은 벗어나는 방식이 은하가 뉴턴역학으로부터 벗어나는 방식과 같다는 것이다. 중력 이상은 MOND 가속도 상수 부근 혹은 아래에서만 나타나며, 그 정도는 현존하는 MOND 이론들의 일반적인 예측과 일치한다.
은하에서 관측된(또한 MOND가 예측한) 중력 이상이 매우 크게 나타난다는 것은 매우 견고하게 확립됐다. 그러나, 학계의 주류는 이것이 암흑물질에 기인한다는 관점을 견지하고 있다. 따라서 그들에게는 은하에서의 중력 이상이 표준역학의 붕괴의 증거가 되지는 않는다. 하지만, 채 교수에 의해 발견된 중력 이상의 경우는 크기는 작지만 암흑물질에 의해서 설명될 수 없으므로 표준중력 붕괴를 의미한다“고 말했다.
채 교수는 현재 연세대학교의 임동욱 박사, 이영욱 교수, 한국천문연구원의 이병철 박사 등과 함께 별들의 정밀한 시선속도를 확보하는 후속 연구를 수행하고 있다.
전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr
