우주상수 (Cosmological Constant)
쉽게 풀면
아인슈타인이 우주 방정식에 넣었던 숫자로, 오늘날에는 우주를 가속 팽창시키는 암흑에너지를 설명하는 데 쓰인다.
왜 중요한가
우주상수는 암흑에너지를 나타내는 가장 단순한 형태이며, 람다-CDM의 람다가 바로 이것입니다. 상태방정식 매개변수가 정확히 -1인 경우에 해당하므로, w의 관측값이 -1에서 벗어나는지가 우주상수와 동적 암흑에너지를 가르는 시험입니다. 초신성·BAO·CMB 관측이 모두 -1 근처를 가리켜 현재로서는 가장 경제적인 설명으로 남아 있습니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
아인슈타인은 정적인 우주를 만들기 위해 자신의 중력장 방정식에 우주상수 항을 도입했으나, 이후 허블의 팽창 우주 발견으로 이 항은 오랫동안 폐기되었다가 암흑에너지 발견 이후 재조명되었다.
우주상수의 크기를 서로 다른 관측 방법으로 각각 추정한 다음, 그 값들이 서로 얼마나 일치하는지를 비교했다는 의미입니다.
조금 더 깊게 보면
아인슈타인이 정적 우주를 위해 도입했다가 철회한 항이 가속 팽창 발견으로 되살아난 역사 때문에 실수라는 서사가 따라다니지만, 일반상대성이론 방정식에서 자연스럽게 허용되는 항입니다. 양자장론의 진공 에너지로 해석하면 예측값이 관측값보다 100자릿수 이상 커지는 문제가 있어 이론적으로는 가장 불편한 성분입니다. 에너지 밀도가 팽창해도 일정하므로 물질이 희석되는 미래에는 우주를 완전히 지배하게 됩니다. 우주상수는 압력이 에너지 밀도에 음의 부호를 붙인 값과 같은 상태방정식(p=-ρc², w=-1)을 가지므로, 척도인자가 커져도 밀도가 희석되지 않고 일정하게 남아 물질이 옅어진 뒤 팽창을 가속시키는 지배 성분이 된다. 가속 자체는 w가 -1/3보다 작은 성분이면 일어나므로, w=-1은 가속의 필요조건이 아니라 가장 단순한 경우다.
주의할 점
아인슈타인이 우주상수를 '내 생애 최대의 실수'라 불렀다는 일화는 널리 알려져 있지만, 오늘날 우주상수는 암흑에너지를 설명하는 핵심 요소로 다시 사용되고 있다.
진공 에너지로서의 이론적 예측값과 관측값 사이의 막대한 불일치는 '우주상수 문제'라 불리며, 미세 조정 없이 이를 설명하는 이론은 아직 없다.