움직이지 않는 망원경이 94밤의 잡음을 지웠다, CHIME가 본래의 수소 지도를 열었다

브리티시컬럼비아의 마른 계곡에는 하얀 반원통 네 개가 바닥에 고정된 채 매일 북쪽 하늘이 지나가기를 기다린다. 연구자들은 그 그릇이 2019년 94밤 동안 받은 전파에서 방송·통신·우리 은하의 잡음을 1년 넘게 걷어 냈고, 마지막에 같은 희미한 수소 무늬가 남는지 확인했다.

CHIME 협력단은 9월 28일 The Astrophysical Journal에 다른 망원경의 은하목록을 빌리지 않고 CHIME 자료만으로 우주론적 중성수소 21센티미터 신호를 검출했다고 보고했다. 신호는 적색편이 약 1.01~1.34, 우주 나이가 오늘의 절반에 가까웠던 시기의 거대구조를 한 은하씩이 아니라 수많은 은하의 합쳐진 전파광으로 읽는다.

중성수소 원자는 특정한 에너지 전환 때 파장 21센티미터의 전파를 낸다. 우주가 팽창하면 먼 과거의 이 전파는 더 긴 파장으로 늘어나고, 어느 거리대에 수소가 얼마나 모였는지 흔적을 남긴다. 개별 은하를 선명하게 찍지 않아도 넓은 하늘의 물질 분포를 빠르게 그릴 수 있다는 것이 ‘강도 지도’의 약속이다.

CHIME는 애초 이 지도로 우주 팽창과 암흑에너지를 연구하려고 지어졌지만, 먼저 빠른 전파폭발을 대량 발견하며 이름을 알렸다. 2022년 공개된 앞선 우주론 결과는 외부 광학 은하조사와 위치를 겹치는 교차상관으로 신호를 확인했다. 이번 결과는 94밤의 자체 자료만으로 12.5시그마 검출을 제시해 기계가 본래 목적을 독립적으로 수행할 수 있음을 보였다.

가장 어려운 부분은 우주 신호가 약해서가 아니라 앞을 가린 전파가 압도적으로 밝다는 점이다. 연구팀은 인공 전파간섭을 가리고, 안테나 빔의 색에 따른 차이와 우리 은하 전경이 가짜 무늬를 만들지 않는지 여러 검증을 거쳤다. 결과는 2019년의 특정 주파수·거리 구간에 한정되며, 암흑에너지의 정체를 새로 발견했거나 정밀하게 측정했다는 뜻은 아니다.

우주론 연구자는 광학 은하조사와 다른 기기·전경 오차를 가진 독립 측정선을 얻는다. CHIME가 지금 가진 자료는 거의 7년치여서 94밤보다 훨씬 넓지만, 자료가 많아질수록 장기간의 기기변화와 전파간섭도 함께 다뤄야 한다. 동반 분석에서 중성 원자 수소가 물질의 약 2%라는 값은 다른 측정과 대체로 맞았고, 다음 단계는 전체 자료에서 팽창률의 흔적을 얼마나 정밀하게 분리하느냐다.

그래서 지금 달라진 점은 빠른 전파폭발 망원경으로 더 유명해진 CHIME가 마침내 자체 자료만으로 본래 설계 목적이던 먼 우주의 수소 지도를 열었다는 것이다. 저는 이 성과의 가치는 암흑에너지에 답을 붙인 데 있지 않고, 서로 다른 오차를 가진 독립 관측법을 실제로 작동시킨 데 있다고 봅니다. 다음에는 거의 7년치 전체 분석의 재현성, 전경 제거 오차와 우주 팽창 제약을 확인해야 한다.