[논문 리뷰] Is the Universe really expanding?

John G. Hartnett|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 13.

Cosmology and Gravitation Theories참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 우주가 팽창하고 있다는 가정을 도전하며, 관측된 허블 적색편이가 공간 팽창이 아니라 정적 우주에서의 알려지지 않은 메커니즘에 기인할 수 있다고 주장한다. 이는 현재의 자료—초신성, 활성은하핵, 감마선 폭발—이 암흑물질과 암흑에너지가 필요 없이 더 적은 가정으로도 표준 ΛCDM 모델만큼이나 비틀림 없는 유클리드 모델에 잘 맞는다고 결론을 내린다.

ABSTRACT

The Hubble law, determined from the distance modulii and redshifts of galaxies, for the past 80 years, has been used as strong evidence for an expanding universe. This claim is reviewed in light of the claimed lack of necessary evidence for time dilation in quasar and gamma-ray burst luminosity variations and other lines of evidence. It is concluded that the observations could be used to describe either a static universe (where the Hubble law results from some as-yet-unknown mechanism) or an expanding universe described by the standard Lambda cold dark matter model. In the latter case, size evolution of galaxies is necessary for agreement with observations. Yet the simple non-expanding Euclidean universe fits most data with the least number of assumptions. From this review it is apparent that there are still many unanswered questions in cosmology and the title question of this paper is still far from being answered.

연구 동기 및 목표

• 시간 지연과 빛의 세기 변화의 해결되지 않은 모순들에 비추어 우주 팽창에 대한 증거를 재평가하기 위해.
• 허블 법칙이 공간 팽창이 아니라 정적 우주에서의 알려지지 않은 물리적 메커니즘에 의해 설명될 수 있는지 평가하기 위해.
• 관측 자료를 사용하여 팽창하는 ΛCDM 모델과 비팽창적인 유클리드 모델의 설명력을 비교하기 위해.
• 활성은하핵과 감마선 폭발에서 시간 지연이 관측되지 않는 것이 표준 모델의 기초를 흔들 수 있는지 조사하기 위해.
• 은하와 은하단의 임의의 크기 변화가 표준 모델의 예측 능력에 결함이 있음을 시사하는지 판단하기 위해.

제안 방법

• 팽창 우주 모델이 요구하는 시간 지연 효과를 검증하기 위해, 밝기 빛의 세기 변화와 적색편이를 포함한 Ia 초신성 자료를 분석한다.
• 동일한 관측 자료를 사용하여 팽창 모델과 정적 우주 모델의 허블도를 비교한다.
• 활성은하핵과 감마선 폭발의 빛의 세기 변화가 천체물리학적 시간 지연 예측과 얼마나 일치하는지 평가한다.
• 표준 모델의 예측을 시험하기 위해 천체의 각도 크기, 표면 밝기, 은하 크기 변화 자료를 검토한다.
• 초신성 자료에 적합하기 위해 암흑물질과 암흑에너지가 물리적으로 필수적인지 평가한다.
• 일명 '피로 빛' 같은 대안적 적색편이 메커니즘을 검토하고 일반 상대성 이론 및 관측 제약 조건과의 호환성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 허블 적색편이-거리 관계가 공간 팽창이 아니라 알려지지 않은 물리적 메커니즘이 있는 정적 우주에서 설명될 수 있는가?
• RQ2 활성은하핵과 감마선 폭발은 표준 모델의 예측에 비해 측정 가능한 천체물리학적 시간 지연이 보이지 않는 이유는 무엇인가?
• RQ3 고적색편이 은하의 관측된 밝기 변화가 공간 팽창을 가정하지 않고도 그들의 명백한 크기와 밝기를 설명하는 데 충분한가?
• RQ4 활성은하핵에서 시간 지연이 관측되지 않는다는 점이 초신성 자료에 기반한 가속 팽창 우주의 증거를 뒤엎는가?
• RQ5 암흑물질과 암흑에너지 없이도 비팽창적인 유클리드 우주 모델이 CMBR, 은하 군집, Lyα 흡수체를 포함한 전체 우주 자료를 잘 맞출 수 있는가?

주요 결과

• 허블도는 표준 ΛCDM 모델만큼이나 더 적은 가정으로도 정적이고 비팽창적인 유클리드 우주 모델에 잘 맞는다.
• 활성은하핵과 감마선 폭발의 관측 결과에서 측정 가능한 시간 지연이 없으며, 이는 팽창 우주 모델의 예측과 모순된다.
• 활성은하핵에서 시간 지연이 없는 것은 선택 효과이거나 적색편이가 천체물리학적 팽창을 의미한다는 가정에 결함이 있음을 시사한다.
• 표준 모델에서 은하 크기 변화는 관측적으로 지지되지 않는, 임의의 대규모 변화(수십만 배 이상)를 요구한다.
• 고적색편이에서 거대하고 이른 시기의 은하와 '너무 크기 때문에 이르게는 될 수 없다'는 은하단은 표준 모델의 시간과 진화 가정을 도전한다.
• 우주 마이크로파 배경 복사(CMBR)는 두 모델 모두와 일치하지만, 같은 구름 내에서 온도 대 적색편이의 관계에서 일관되지 않은 결과를 보이며, 그 신뢰성에 의문을 제기한다.