폭발하는 별 수백만 개, 암흑 에너지의 비밀을 곧 밝힐 수도 있다... 그들이 좀 더 일관성만 있었다면

바르셀로나 대학교 우주 과학 연구소(ICCUB)가 이끄는 연구진이 우주의 팽창을 연구하고 암흑 에너지로 알려진 신비한 힘을 조사하는 방식을 크게 개선할 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 우주가 자랑질을 그만둘 생각이 없는 모양이다.

네이처 천문학에 발표된 이 연구는 CIGaRS라는 프레임워크를 소개하는데, 이는 Ia형 초신성(우주 거리를 측정하는 데 사용되는 강력한 항성 폭발)에서 훨씬 더 많은 정보를 추출할 수 있다. 많은 현재 접근 방식과 달리 이 방법은 값비싼 분광 관측보다는 주로 이미징 데이터에 의존한다. 이 발전은 천문학자들이 차세대 하늘 조사, 특히 베라 C. 루빈 천문대가 수행할 조사에서 곧 도착할 거대한 데이터 세트를 최대한 활용하는 데 도움이 될 것으로 예상된다.

Ia형 초신성은 백색 왜성이 폭발할 때 발생한다. 이 폭발들은 거의 동일한 본래 밝기에 도달하기 때문에 천문학자들은 이를 '표준 촛불'로 사용한다. 실제 밝기와 지구에서 보이는 밝기를 비교함으로써 연구자들은 거리를 계산할 수 있다. 이러한 측정은 우주가 가속 팽창하고 있다는 발견에 결정적인 역할을 했다. 과학자들은 그 가속을 현대 물리학에서 가장 중요한 미해결 질문 중 하나인 암흑 에너지의 탓으로 돌린다.

그러나 중요한 복잡성이 있다. Ia형 초신성은 완벽하게 동일하지 않다. 지난 20년 동안 천문학자들은 초신성의 관측 밝기가 그것이 발생한 은하의 영향을 받는다는 것을 발견했다. 나이가 많거나 더 거대한 은하에서 발생한 초신성은 젊거나 덜 거대한 은하에서 발생한 것과 약간 다르게 보일 수 있다. 연구자들은 일반적으로 비교적 간단한 보정 방법을 사용하여 이러한 차이를 설명해 왔다. 유용하지만 이러한 근사치는 거리 측정의 정확도와 결과적으로 우주론 연구의 정밀도를 제한할 수 있다.

새로운 프레임워크는 여러 요인을 동시에 모델링하여 이 문제를 해결한다. 연구진은 각 구성 요소를 독립적으로 처리하는 대신 초신성 폭발 자체, 그 모은하, 빛을 변화시키는 먼지, 우주 역사 전반에 걸친 초신성 비율의 변화, 심지어 우주의 팽창까지 포함하는 단일 통합 모델을 구축했다. "우주를 모델링하는 강력한 방법은 베이지안 추론을 사용하여 컴퓨터에서 처음부터 시뮬레이션하는 것입니다."라고 연구 공동 저자인 Raúl Jiménez(ICREA-ICCUB)는 말한다. "이는 가능한 모든 매개변수를 동시에 변화시켜 우리가 어떤 우주에 살고 있는지 예측하는 방법을 제공합니다. 또한, 이 능력을 가지면 '알려지지 않은 미지의' 계통 오차를 살펴보고 그 영향을 이해할 수 있습니다."

이러한 포괄적인 모델을 구축하려면 일반적으로 엄청난 컴퓨팅 성능이 필요하다. 접근 방식을 실용적으로 만들기 위해 연구진은 시뮬레이션 기반 추론이라는 현대 기술로 전환했다. 이 과정은 과학자들이 물리적 모델을 기반으로 많은 수의 시뮬레이션된 우주를 생성하는 것으로 시작된다. 그런 다음 신경망이 시뮬레이션된 관측치가 이를 생성한 물리적 속성과 어떻게 관련되는지 학습한다. 훈련이 완료되면 시스템은 실제 천문 관측치를 시뮬레이션과 비교하고 가장 가능성 있는 기본 매개변수를 결정할 수 있다. 이 전략을 통해 수만 개의 초신성을 동시에 분석할 수 있으며, 이는 전통적인 기술로는 비현실적인 작업이다.

이 연구의 가장 중요한 발견 중 하나는 프레임워크가 이미징 데이터만 사용하여 은하 거리(적색편이)를 높은 정확도로 결정할 수 있다는 것이다. 연구진에 따르면, 새로운 방법은 분광 측정과 비슷한 정밀도로 적색편이 추정치를 제공하지만 스펙트럼이 필요하지 않다. 이 능력은 특히 중요하다. 예정된 조사에서 수백만 개의 초신성 후보가 식별될 것으로 예상되지만, 현실적으로 스펙트럼을 얻을 수 있는 것은 극히 일부에 불과하기 때문이다.