별헤는 사람들 2024년 2월 신년특집 자료! 제5원소는 존재하는가?!

1. 500광년의 가까운 거리에 또다른 태양계가 만들어지는 중!

3. 우주가속팽창의 원인은
암흑에너지(우주상수)
가 아니라
제 5 원소이다!!

4. 암흑에너지의 물리적 성질 측정
암흑에너지와 차가운암흑물질이 있는 평탄한 우주모형에서 상태방정식 w=P/ρ > −1
박창범 (고등과학원)
2024. 1. 23
Fuyu Dong (Yunnan U), 홍성욱 (KASI), 황호성(SNU), 박현배(LBNL), Stephen Appleby (APCTP)

5. 우주공간
관측된 사실 - 등방 (CMB온도, 천체개수 및 종류)
해석: 우주는 균일하다 (우리가 특별한 곳에 있지 않고 우주 모든 곳이 등방하다면)
균일우주 3가지 중 평탄한 우주 (관측 - CMB온도요동의 각크기=평탄한 우주모형에서의 예측값)
-> 우주 공간은 거시적으로 보았을 때 평탄한 균일공간이어서 무한하고 중심과 끝이 없다.
* 지난 100여년 간의 관측과 해석 끝의 결론
* 입자지평선과 우주 전체

6. 우주공간의 팽창
관측: 멀리 있는 은하일수록 붉다
해석: 우주공간 모든 곳이 균일 팽창 중 (우주 모든 곳에서 이 현상이 같은 정도로 관측된다면)
허블계수 H(t)≠H(x,t)
두 점이 멀어져 가는 상대속도는 등시간면에서 거리에 비례.
[무한공간의 팽창 개념. 은하는 정지. v=c와 우주의 끝. 무한거리의 두 점 속도]
공간팽창율이 균일하면 평탄공간 유지되며 우주는 늘 무한. 태초직후 우주도 무한.
* 팽창하는 우주에서 천체의 거리 3가지

7. 우주공간의 팽창 역사
관측1: CMB에너지 스펙트럼 = 흑체복사
해석 - 우주는 과거에 지금보다 수축되어 있어서 고온고밀도 상태였으며 열적평형상태에 있었다.
관측2: 우주는 균일등방하고 평탄하다. -> 곡률. 인과적 단절
해석- 우주는 초기에 가속적 팽창을 하며 엄청나게 늘어났다 (급팽창).
관측3: 관측된 원소비, 물질우세시기 도래. 빛분리 시기. CMB 온도 및 편광 요동, 먼 Ia형 초신성 밝기
해석 - 우주는 대부분의 기간 동안 감속팽창을 해 왔다. 기존 대폭발 우주.
관측4: 표준형태, 표준자, 표준광원, 표준밀도집단 등을 이용한 우주팽창역사
해석 - 우주공간은 최근 가속적 팽창을 했다. ∴ 암흑에너지 존재 or 우주팽창 지배 중력법칙 X.

8. 천체의 기하학적 모양을 이용한
우주팽창역사 측정법
(Alcock & Paczynski, 1979, Nature, 281, 358)

9. 천체의 모양을 여러 적색이동 시점에서 비교하기-
모양이 변하지 않는 천체나 물리량의 분포를 선택
적색이동 z를 공변거리 r로 변환하기 위해 우주모형선택
천체들의 모양이 변하지 않는 우주모형 결정
: 오직 천체의 모양이 진화하지 않는다는 사실만 이용함
[Kim & Park 2005]
우주팽창역사 측정법
The Extended AP Test

10. where
공변크기
천체의 모양을 이용한 우주팽창역사 측정: Alcock-Paczynski test
δr||
δr┴
δz
δθ
시선
방향
(평탄한 우주)
z

11. where
공변크기
천체의 모양을 이용한 우주팽창역사 측정: Alcock-Paczynski test
모양 이 진화하지 않는 여러 천체가 여러 적색이동 z에 있을 때
δr||
δr┴
δz
δθ
시선
방향
r(z) 변환에서 우주모형을 잘못 선택 → 즉 모양이 틀려짐 (AP test)
→ 모양 이 거리에 따라 변하게 됨 (extended AP test)
확장된 AP test: 모양이 변하지 않는 천체의 모양을 여러 적색이동에서 비교하여 Ωm & w 측정
(평탄한 우주)
(절대 크기나 절대 모양이 사용되지 않음. 오직 모양이 변하지 않는다는 조건만 사용됨!)
z

12. 적색이동으로 조사된 천체의 모양
: 실제 우주에서 WL=0.74, Ωm=0.26 & w=-1 일 때
true shape apparent shape
(0.4,-1.0) (0.1,-1.0)
(0.26,-0.3) (0.26,-2.5)
(Ωm & w)
(0.1,-1.0)
(0.4,-1.0)
(0.26,-0.3)
늘어남
찌그러짐
(Ωm & w)
where
(0.26,-2.5)

13. The Extended Alcock-Paczynski Test
using as standard 'shape'
은하탐사: 은하
적경, 적위, 적
색이동 측정
우주모형선택 &
적색이동을 공변거
리로 변환. 즉 r(z)
2점상관함수를 여러 적색이
동 구간에서 각각 측정
상관함수 모양 진화?
Uses only shape - purely geometrical & ~independent of size, mass & clustering evolution and also on H0!
Note!

14. 암흑에너지와 암흑물질이 있는 평탄한 우주 (flat wCDM models)
[Fuyu Dong et al. 2023]
AP: Dong+(2023) SDSS I/II + III BAO: Howlett+(2015), Alam+(2017), de Mattia+(2021), Raichoor+(2021) SN: Scolnic+ (2018) CMB: Planck+(2020)
암흑에너지
P/ρ
-1/3
감속팽창우주
가속
팽창
우주
초신성
우주
배경
복사
AP+BAO+
초신성
BAO
AP

15. 암흑에너지와 암흑물질이 있는 평탄한 우주 (flat wCDM models)
[Fuyu Dong et al. 2023]
우주배경복사 결과는 제외!
AP: Dong+(2023) SDSS I/II + III BAO: Howlett+(2015), Alam+(2017), de Mattia+(2021), Raichoor+(2021) SN: Scolnic+ (2018) CMB: Planck+(2020)
4.2s away from w=-1!
AP + BAO + 초신성 결과 통합
암흑에너지
P/ρ
-1/3
감속팽창우주
가속
팽창
우주
초신성
우주
배경
복사
AP+BAO+
초신성
BAO
AP

16. 결과
1. 암흑에너지와 암흑물질이 있는 평탄한 우주모형에서
적색이동공간에서의 2점상관함수를 표준모양으로 선택하고
확장된 AP test를 수행하여 우주팽창역사 조사
2. 본 연구의 AP test결과와 BAO+SNIa 방법의 결과를 합하여
암흑에너지의 상태방정식 계수 측정
3. 현재 표준우주모형인 우주상수와 암흑물질이 있는 평탄한 우주모형 4.2σ 수준으로 배제.
표준 평탄한 LCDM우주모형은 우주의 최근 팽창역사를 설명 못함.
조화우주모형의 실패.

17. 참고문헌
1. Changbom Park and Young-Rae Kim, 2010, LARGE-SCALE STRUCTURE OF THE UNIVERSE AS A COSMIC
STANDARD RULER, Astrophysical J. Lett., 715, L185
2. Xiao-Dong Li, Changbom Park, Cristiano G. Sabiu, Hyunbae Park, David H. Weinberg, Donald P. Schneid
er, Juhan Kim, and Sungwook E. Hong, 2016, COSMOLOGICAL CONSTRAINTS FROM THE REDSHIFT DEPE
NDENCE OF THE ALCOCK–PACZYNSKI EFFECT: APPLICATION TO THE SDSS-III BOSS DR12 GALAXIES, Astr
ophysical J., 832, 103
3. Hyunbae Park (박현배) , Changbom Park, Cristiano G. Sabiu, Xiao-dong Li, Sungwook E. Hong (홍성
욱), Juhan Kim (김주한), Motonari Tonegawa, and Yi Zheng, 2019, Alcock–Paczynski Test with the Evolu
tion of Redshift-space Galaxy Clustering Anisotropy, Astrophysical J., 881, 146
4. Fuyu Dong, Changbom Park, Sungwook E. Hong, Juhan Kim, Ho Seong Hwang, Hyunbae Park, and
Stephen Appleby, 2023, Tomographic Alcock–Paczyński Test with Redshift-space Correlation Function:
Evidence for the Dark Energy Equation-of-state Parameter w>−1, Astrophysical J., 953, 98