헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성

3. 특징

헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성은 중력으로 뭉친 은하 필라멘트^[31] 또는 거대한 은하 군집으로 추정되는 우주 거대 구조이다. 감마선 폭발의 분포를 통해 그 존재가 알려졌으며, 이는 현재까지 발견된 우주 구조 중 가장 거대한 것으로 여겨진다. 이 구조의 규모는 약 100억 광년에 달하는 것으로 추정되며, 이는 관측 가능한 우주 지름의 약 10%에 해당한다.^[31] 이는 2003년 발견된 슬론 장성이나 2013년 발표된 대 퀘이사군 U1.27보다 훨씬 큰 규모이다.^[18][22][23]

이름에서 알 수 있듯이 헤라클레스자리와 북쪽왕관자리 방향의 하늘에 위치하며,^[32] 약 100억 년 전, 즉 빅뱅 이후 약 38억 년이 지난 시점의 우주에 존재하는 것으로 추정된다.^[30][31][20]

헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성의 존재는 현재의 우주론 모델에 중요한 도전 과제를 제시한다. 기존 이론에서 예측하는 우주 거대 구조의 크기 상한선(약 12억 광년)을 훨씬 뛰어넘으며,^[24] 우주가 매우 큰 규모에서는 균일하다는 우주 원리에도 의문을 제기한다. 또한, 우주 초기에 이처럼 거대한 구조가 어떻게 형성될 수 있었는지에 대한 의문은 우주의 진화 과정에 대한 기존 이해의 수정 필요성을 시사한다.^{[20][25][26][27]}

3. 1. 규모

3. 2. 위치

4. 균질성 문제

우주 원리는 우주가 거시적인 규모에서 균질하고 등방적이라고 가정하며, 이는 우주 어디에서나 동일한 물리 법칙이 적용된다는 믿음에 기반한다. 이러한 가정과 우주배경복사 관측 등을 통해 예측된 우주 구조의 이론적 최대 크기, 즉 균질성 규모는 약 (370Mpc) 정도로 여겨져 왔다.^{[34][35][36][37]}

그러나 헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성의 발견은 이러한 균질성 가정에 중대한 의문을 제기한다. 이 구조의 추정 길이는 최대 에 달하여, 이론적인 균질성 규모 상한값을 8배 이상^[32] 크게 초과한다. 이는 관측 가능한 우주의 약 10.7%에 해당하는 거대한 규모로, 우주가 예측만큼 균일하지 않을 수 있음을 시사한다.

현재의 우주론 모델, 특히 빅뱅 이후 물질 분포의 요동으로 구조가 형성되는 이론은 약 이상의 구조 형성을 설명하기 어렵다.^[24] 헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성의 존재는 이 설명과 명백히 배치되며, 이는 현재 우주 모델이 지나치게 단순화되었거나 실제 구조 형성 과정을 정확히 예측하지 못하고 있음을 의미할 수 있다.^{[20][23][25][26][27]}

더욱이 이 장성은 우주 탄생 후 약 38억 년이라는 비교적 초기 시점에 이미 존재했던 것으로 추정된다. 이렇게 짧은 시간에 그토록 거대한 구조가 형성될 수 있었던 과정 역시 현재의 우주 진화 이론으로는 설명하기 어렵다.^[20] 따라서 헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성은 우주의 균질성뿐만 아니라 초기 우주 진화에 대한 이해에도 근본적인 재검토가 필요함을 강력하게 시사한다.

4. 1. 기존 구조와의 비교

헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성은 이러한 기존의 거대 구조들을 압도하는 규모를 가진다. 감마선 폭발 분포를 통해 추정된 크기는 길이가 최대 , 폭이 에 달한다. 이는 2003년 발견된 슬론 장성(길이 약 ^[18])이나, 2013년 1월에 발표된 대 퀘이사군 U1.27(길이 약 ^[22][23])보다 훨씬 크다. 이 장성의 크기는 관측 가능한 우주 전체 지름의 약 10.7%에 해당하며, 균질성 규모 상한값의 약 8배에 달한다.^[32]

이처럼 거대한 헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성의 존재는 현재의 우주 물리학 및 우주론 모델에 중대한 의문을 제기한다. 현재 이론에 따르면, 빅뱅 이후 우주에 발생한 물질 밀도의 요동이 현재 관측되는 대규모 구조의 씨앗이 되었으며, 이렇게 형성될 수 있는 구조의 크기는 약 을 넘지 않을 것으로 예측되었다.^[24] 헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성은 이 예측을 훨씬 뛰어넘는 크기를 가지고 있어, 우주가 거시적인 규모에서 균일하다는 우주 원리에도 부합하지 않는 것처럼 보인다. 이는 현재 우주를 설명하는 수학적 모델이 지나치게 단순화되었거나, 실제 우주의 균일성 및 대규모 구조 형성 과정을 정확히 예측하지 못하고 있음을 시사할 수 있다.^{[20][23][25][26][27]} 또한, 우주가 현재 생각하는 것보다 훨씬 복잡한 구조를 가지고 있을 가능성도 제기된다. U1.27 발견 당시에도 유사한 문제가 지적되었으나, 헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성은 U1.27보다 2배 이상 더 크기 때문에 더욱 근본적인 질문을 던지고 있다.^{[20][23][25][26][27]}

더욱이, 이 장성은 지금으로부터 약 100억 년 전, 즉 우주 탄생 후 약 38억 년이 지난 시점의 우주에 존재하는 구조이다. 이렇게 거대한 구조가 우주 초기 비교적 짧은 시간 안에 어떻게 형성될 수 있었는지에 대한 명확한 설명은 아직 없으며, 이는 우주의 진화에 관한 기존 이론의 수정이 필요할 수 있음을 시사한다.^[20] 연구팀은 추가적인 감마선 폭발 관측과 분포 분석을 통해 이 구조의 비밀을 밝혀나갈 계획이라고 밝혔다.^[20]

5. 진화 문제

헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성의 발견은 현재 우주의 진화를 설명하는 표준 모형인 람다-CDM 모형(ΛCDM)에 중요한 의문을 제기한다.^[42] 이 거대 구조는 몇 가지 측면에서 기존 이론과 잘 들어맞지 않아 우주론의 현 이해에 도전 과제를 안겨준다.

주된 문제점은 이 구조의 이론적 한계를 넘어서는 거대한 규모이다.^[24] 현재 우주론 모델이 예측하는 우주 구조의 최대 크기를 훨씬 초과하며, 이는 우주가 거시적으로 균일하다는 우주론 원리와도 잠재적으로 충돌할 수 있다.^{[20][23][25][26][27]}

또한, 이 구조가 우주 초기에 형성되었다는 점도 설명하기 어렵다. 헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성은 우주 탄생 후 약 38억 년이라는 비교적 짧은 시간 안에 존재했던 것으로 추정되는데,^[20] 현재의 우주 진화 모델로는 이처럼 이른 시기에 암흑물질과 바리온 물질이 모여 이토록 거대한 구조를 형성하는 과정을 설명하기 어렵다.

이러한 문제들은 헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성이 우주의 대규모 구조 형성과 진화에 대한 기존 이해를 재검토하게 만드는 중요한 발견임을 시사한다.

5. 1. 해결 과제

• 이론적 한계를 넘어서는 규모: 이 구조의 추정 크기는 길이가 최대 100억 광년, 폭이 72억 광년에 달한다. 이는 2003년 발견된 슬론 장성(13억 7000만 광년)^[18]이나 2013년 발표된 대 퀘이사군 U1.27(40억 4000만 광년)^[22][23]을 훨씬 능가하는 크기이며, 관측 가능한 우주 전체 크기의 약 10.7%에 해당한다. 현재 우주론에서는 빅뱅 이후 형성될 수 있는 우주 구조의 크기 상한선을 약 12억 광년으로 예측하는데,^[24] 헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성은 이 한계를 훨씬 초과한다.

• 우주론 원리와의 불일치: 우주는 거시적인 관점에서 균일하고 등방적이라는 우주론 원리는 우주론의 기본 가정 중 하나이다. 그러나 관측 가능한 우주에 비해 너무나 거대한 헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성의 존재는 이러한 균일성 가정에 의문을 제기한다.^{[20][23][25][26][27]} 이는 현재 우주를 설명하는 수학적 모델이 지나치게 단순화되었거나, 실제 우주의 구조 형성 과정이 이론적 예측보다 훨씬 복잡할 수 있음을 시사한다. U1.27 발견 당시에도 유사한 문제가 제기되었지만, 헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성은 그보다 2배 이상 커서 문제를 더욱 심화시킨다.^{[20][23][25][26][27]}

• 형성 시기의 문제: 이 거대 구조는 지금으로부터 약 100억 년 전, 즉 빅뱅 이후 불과 약 38억 년이 지난 시점의 우주에서 관측된다. 현재의 우주 진화 모델로는 이렇게 짧은 시간 안에 암흑물질이 충분한 양의 바리온 물질을 끌어모아 이토록 거대하고 복잡한 구조를 형성하는 과정을 설명하기 매우 어렵다.^[20] 초기 우주에 존재하기에는 너무나 거대하고 복잡한 구조인 것이다. 현재로서는 이 구조의 형성을 설명할 수 있는 명확한 이론적 모델이 없다.

6. 논란

일부 연구에서는 헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성(HCB)의 존재 자체에 의문을 제기하며 통계적 유의성에 대한 논쟁이 있다.^[11][10] 이에 대해 HCB 발견 연구진은 최신 데이터 분석 결과를 근거로 구조의 존재를 지지하면서도, 최종적인 규명을 위해서는 테세우스 위성 등 차세대 관측 장비가 필요하다고 언급했다.^[12]

HCB의 존재가 사실이라면, 추정되는 거대한 규모(길이 최대 100억 광년, 폭 72억 광년)는 슬론 장성이나 대 퀘이사군 U1.27 등을 훨씬 능가하며,^[18][22][23] 관측 가능한 우주의 약 10.7%에 달해 현재의 우주 물리학 및 우주론 모델에 중대한 도전이 된다. 이는 약 12억 광년 이하로 예측되는 우주 대규모 구조의 크기 한계^[24]를 넘어서며, 우주가 거시적으로 균일하다는 우주 원리에도 의문을 제기한다. 따라서 현재 우주 모델의 수정 필요성이나, 우주가 예상보다 복잡한 구조를 가질 가능성을 시사한다.^{[20][23][25][26][27]}

또한 HCB가 우주 탄생 후 약 38억 년이라는 비교적 초기 시점에 존재했다는 점은, 이처럼 거대한 구조가 단기간에 형성된 과정에 대한 의문을 낳으며 우주 진화 이론의 재검토 필요성을 제기한다.^[20] 이는 U1.27 발견 시 제기된 문제보다 더 심화된 것으로,^{[20][23][25][26][27]} 연구팀은 추가적인 감마선 폭발 관측과 분석을 통해 HCB의 실체를 규명하고자 한다.^[20]

6. 1. 통계적 유의성 문제

위 표에서 볼 수 있듯이, 검정 결과 가장 큰 값 6개 중 5개가 그룹 4에 속한다. 그룹 4의 8개 비교 값 중 6개가 가장 큰 차이 값 8개에 속하며, 이 값들은 모두 14보다 크다. 연구팀은 다양한 값에 대한 근사 확률을 계산하기 위해, 31개의 무작위 점을 다른 31개의 무작위 점과 비교하는 시뮬레이션을 4만 번 실행했다. 그 결과, 값 18은 28번, 18보다 큰 값은 10번 나타났다. 17보다 큰 값이 나올 확률은 0.095%이다. 16보다 큰 값이 나올 확률은 ''p''=0.0029, 15보다 큰 값이 나올 확률은 ''p''=0.0094, 14보다 큰 값이 나올 확률은 ''p''=0.0246이다. 무작위 분포에서 이는 14보다 큰 값이 2σ 편차, 16보다 큰 값이 3σ 편차에 해당함을 의미한다. 13보다 큰 값이 나올 확률은 ''p''=0.057, 즉 5.7%로 통계적으로 유의미하지 않다.^[6]

2차원 K-S 검정과 유사한 최근접 이웃 통계를 사용했을 때, 그룹 4의 21개 연속 확률이 2σ 한계에 도달했고, 9개의 연속 비교는 3σ 한계에 도달했다. 예를 들어, 특정 적색편이 대역의 31개 감마선 폭발(GRB) 중 14개가 하늘의 약 8분의 1 영역에 집중되어 있는데, 이러한 편차가 우연히 발생할 이항 확률은 ''p''=0.0000055이다.

연구팀은 또한 부트스트랩 통계량을 사용하여 특정 각도 영역 내 GRB 수를 분석했다. 이 테스트 결과, 그룹 4로 식별된 하늘 영역(전체 하늘의 15~25%)이 다른 적색편이 대역의 유사한 크기 영역보다 훨씬 많은 GRB를 포함하고 있음이 나타났다. 영역 크기를 전체 하늘의 0.1125배(0.1125 × 4π 스테라디안)로 설정했을 때, 31개 GRB 중 14개가 해당 영역 내에 위치했다. 영역 크기를 0.2125배로 설정했을 때는 19개, 0.225배로 설정했을 때는 20개가 영역 내에 있었다. 마지막 경우(0.225배 영역), 4,000번의 부트스트랩 시뮬레이션 중 단 7번만이 해당 영역 내에 20개 이상의 GRB를 포함했다. 이는 통계적으로 유의미한 편차(''p''=0.0018)이며, 이러한 분포가 무작위로 발생할 이항 확률은 10⁻⁶보다 작다. 연구팀은 이 과정을 만 번 반복하여 통계적 신뢰도를 높였다. 만 번의 몬테카를로 시뮬레이션 결과에서도, 4,000개의 부트스트랩 사례 중 7개만이 선호하는 각도 영역 안에 20개의 GRB를 가졌다는 결과가 일관되게 나타났다.

일부 후속 연구에서는 헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성(HCB)의 존재에 의문을 제기했다. 2016년 연구는 관측된 GRB 분포가 몬테카를로 시뮬레이션으로 설명될 수 있는 범위 안에 있으며, 통계적 유의성이 일반적으로 인정되는 95% 신뢰수준(''p'' < 0.05)에 미치지 못한다고 주장했다.^[11] 2020년의 다른 연구는 통계 검정 과정에서의 편향을 고려하면 실제 유의 수준은 더 낮아지며, 특히 9개의 적색편이 구간을 탐색했다는 점을 감안할 때 더 엄격한 기준(''p'' < 0.005)을 적용해야 한다고 지적했다.^[10] 그러나 같은 해 발표된, HCB를 처음 발견한 연구진을 포함한 논문에서는 가장 최신의 신뢰할 수 있는 데이터 세트를 분석한 결과 여전히 구조의 존재를 지지하며, 이 문제를 최종적으로 규명하기 위해서는 테세우스 위성과 같은 차세대 관측 장비가 필요할 것이라고 결론지었다.^[12]

6. 2. 추가 연구의 필요성

참조

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