우주는 끊임없이 팽창하고 있습니다. 이것은 단지 과학 이론이 아니라, 수많은 관측 결과를 통해 입증된 사실입니다. 이 팽창의 속도를 정량적으로 표현한 것이 바로 '허블 상수(Hubble constant)'입니다. 이 수치는 우주가 얼마나 빠르게 팽창하고 있는지를 나타내며, 현대 천문학과 우주론에서 가장 핵심적인 개념 중 하나입니다. 허블 상수는 우주 나이, 우주의 크기, 미래 예측, 암흑에너지의 존재 여부 등 수많은 우주론적 변수에 영향을 미칩니다. 하지만 최근에는 허블 상수를 둘러싼 이론과 관측값의 불일치, 소위 ‘허블 텐션(Hubble tension)’ 문제로 인해 많은 논쟁이 벌어지고 있으며, 이는 우주의 구조와 기원에 대한 기존 이론을 다시 점검하게 만들고 있습니다. 이번 글에서는 허블 상수의 정의와 의미, 역사적 배경, 측정 방법, 현재 진행 중인 논쟁까지 포함해 깊이 있게 다뤄 보겠습니다.
1. 허블 상수란 무엇인가: 개념과 과학적 정의
허블 상수(Hubble Constant)는 미국 천문학자 에드윈 허블(Edwin Hubble)이 1929년 발견한 법칙에서 유래한 개념입니다. 허블은 먼 은하일수록 우리로부터 빠르게 멀어지고 있다는 사실을 밝혀냈고, 이 현상은 우주가 팽창하고 있다는 강력한 증거로 간주되었습니다. 허블 법칙은 수식으로 간단히 표현할 수 있습니다: v = H₀ × d, 여기서 v는 은하의 후퇴 속도, d는 은하까지의 거리, H₀는 허블 상수입니다. 이 식에서 허블 상수는 거리다 속도의 비율, 즉 우주 팽창의 비례 상수를 의미하며, 일반적으로 단위는 km/s/Mpc(킬로미터/초/메가파섹)를 사용합니다. 1메가 파섹은 약 326만 광년에 해당하므로, 허블 상수는 '1메가 파섹 떨어진 은하가 1초에 몇 km 속도로 멀어지는가'를 뜻합니다. 허블 상수가 크다는 것은 우주의 팽창 속도가 빠르다는 것을 의미하고, 이는 곧 우주의 나이가 상대적으로 짧음을 암시합니다. 반대로 허블 상수가 작으면 우주가 더 오래전부터 팽창해 왔다는 뜻입니다. 이 상수는 단순한 숫자 이상으로, 우주의 역사를 풀기 위한 열쇠이자 천문학에서 가장 중요한 물리 상수 중 하나로 여겨집니다. 최근까지도 정확한 값에 대한 논의가 이어지고 있으며, 이는 현대 우주론에서 해결해야 할 가장 시급한 과제 중 하나로 떠오르고 있습니다.
2. 허블 상수 측정 방법과 관측 기술
허블 상수를 측정하는 방법은 크게 두 가지로 나뉩니다. 하나는 ‘거리 사다리’ 방식이며, 다른 하나는 ‘초기 우주 상태’를 분석하는 방법입니다. 먼저 거리 사다리 방식은 우리 은하 내에서 정확히 거리를 알 수 있는 천체(예: 세페이드 변수, 초신성 등)를 이용해 점점 먼 거리의 은하로 확장해가며 속도-거리 관계를 측정하는 방식입니다. 대표적으로 허블 우주망원경(HST)을 이용한 SH0 ES(슈즈) 팀이 이 방법을 활용하고 있으며, 그들은 허블 상수를 약 73~74 km/s/Mpc로 측정했습니다. 두 번째 방식은 우주의 탄생 초기에 형성된 '우주 마이크로파 배경복사(CMB)'를 분석해 허블 상수를 간접적으로 유도하는 것입니다. 유럽우주국(ESA)의 플랑크(Planck) 위성은 이 방법을 통해 약 67.4 km/s/Mpc라는 값을 얻었고, 이는 거리 사다리 방식보다 약 9% 정도 낮은 수치입니다. 이처럼 동일한 물리 상수를 측정함에도 방식에 따라 결과가 다르다는 점이 '허블 텐션'이라는 문제로 발전했습니다. 이 논쟁은 단순한 오차 범위를 넘어서 두 측정 방법 중 적어도 하나에서 미세한 시스템 오류나, 심지어 현재의 우주론 모델에 근본적인 결함이 있을 가능성까지 제기하게 만들었습니다. 최근에는 중력렌즈를 활용한 방법, 중성 수소선(21cm)을 활용한 방법, 중력파를 '표준 사이렌'으로 활용하는 새로운 측정 기법도 등장하고 있으며, 각기 다른 방식의 정확도와 일치성 비교가 활발히 이루어지고 있습니다. 즉, 허블 상수는 측정 기술의 발전과 이론적 접근법이 집약되는 영역으로, 단순 수치 이상의 과학적 도전과제입니다.
3. 허블 텐션 문제: 현대 우주론의 갈림길
‘허블 텐션(Hubble Tension)’은 동일한 허블 상수를 서로 다른 방법으로 측정했을 때 나타나는 값의 불일치 현상을 일컫습니다. 현재까지 두 주요 측정 방식, 즉 거리 사다리 방식(SH0ES)과 CMB 기반 방식(Planck) 간에는 약 5~6σ(시그마)의 통계적 차이가 존재합니다. 이는 단순한 실험 오차의 범위를 넘어선 수준으로, 물리학계에서는 ‘새로운 물리학이 필요하다’는 주장이 대두될 정도입니다. 허블 텐션을 해결하기 위해 다양한 이론적 모델이 제시되고 있습니다. 일부 연구자들은 암흑에너지의 성질이 시간에 따라 변할 수 있다는 '동적 암흑에너지 모델'을 제안하고 있으며, 다른 이들은 빅뱅 직후 '암흑 복사'(dark radiation)가 존재했을 가능성을 고려하고 있습니다. 또한 기존의 ΛCDM(람다 콜드 다크 매터) 우주론 모델 자체를 수정해야 한다는 급진적인 제안도 나오고 있습니다. 특히 최근에는 제임스웹 우주망원경(JWST)을 통해 초기 은하들이 예상보다 빠르게 형성되었다는 사실이 밝혀지면서, 현재의 우주론 모델에 대한 전면 재검토가 필요하다는 목소리가 커지고 있습니다. 이처럼 허블 텐션 문제는 단순한 수치 간 불일치에 머무르지 않고, 우주의 탄생과 진화에 대한 인간의 이해 자체를 흔드는 과학적 도전 과제가 되었습니다. 그리고 이 논쟁은 앞으로 몇 년간 천문학과 물리학 분야에서 가장 큰 이슈로 자리 잡을 것입니다. 과연 어느 측정 방식이 맞을까요? 아니면 둘 다 틀린 걸까요? 답을 찾기 위한 인류의 과학적 여정은 지금도 계속되고 있습니다.
우주 팽창 속도와 허블 상수는 단순히 은하가 멀어지는 속도를 뜻하는 수치가 아닙니다. 그것은 우주의 크기, 나이, 구성, 진화 과정을 해석하는 데 핵심적인 도구입니다. 특히 허블 상수를 둘러싼 논쟁은 우리가 현재 알고 있다고 믿는 우주의 구조에 대해 다시 질문을 던지게 만듭니다. 관측 기술의 발전으로 더 많은 정보가 밝혀지고 있지만, 그만큼 우주에 대한 질문은 더 깊어지고 있습니다. 허블 텐션 문제는 단순한 오차를 넘어, 우리가 사용하는 우주론 모델 자체에 대한 재검토를 요구하고 있습니다. 결국 이 모든 과정은 과학이 어떻게 의문을 발전시키고, 그 의문을 해결하며, 지식을 확장해 나가는지를 잘 보여주는 예입니다. 우주를 이해하려는 인간의 여정은 아직 끝나지 않았습니다. 허블 상수를 둘러싼 이 첨예한 논쟁 속에서, 우리는 어쩌면 완전히 새로운 우주를 발견하게 될지도 모릅니다. 지금 이 순간에도 우주는 팽창하고 있고, 우리는 그 우주 속에서 끊임없이 질문을 던지고 있는 존재입니다.