우주의 나머지 어디에 있는 걸까? - 사이언스타임즈

출처 : http://www.sciencetimes.co.kr/article.do?atidx=56237

우주의 나머지 어디에 있는 걸까?

암흑물질, 암흑에너지 미스터리 여전히 안 풀려

2011년 12월 05일(월)

우주에 존재하는 모든 물질과 에너지의 자세한 일람표를 만들려고 노력하는 과학자들은 궁금한 문제에 빠져들었다. 거기에는 막대한 다수가 누락되어 있다는 것이다. 라이브사이언스는 이것을 이제까지 풀리지 않은 거대한 과학의 미스터리라고 지적했다. 

▲ 시카고 대학의 마이클 터너 교수는 '암흑 에너지'라는 말을 처음으로 사용하였다.  ⓒ시카고 대학

"저는 그것을 우주의 암흑면이라고 부릅니다." 시카고 대학의 우주론 학자인 마이클 터너(Michael Turner)는 암흑 물질(dark matter)과 암흑 에너지(dark energy)의 거대한 미스터리들을 언급하며 이처럼 이야기했다. 터너 박사는 '암흑 에너지'라는 말을 처음으로 사용한 물리학자다.  

사실, 우주에 있는 물질과 에너지 가운데 오직 4퍼센트 만이 발견되었다. 다른 96퍼센트는 파악하기 어려운 채 남아 있지만 과학자들은 두 가지의 암흑 수수께끼를 풀기 위해 우주의 가장 멀리 떨어진 거리와 지구의 가장 깊숙한 깊이를 탐구하고 있다.

아직도 찾지 못한 물질

아인슈타인의 유명한 공식 "E=mc²"은 에너지와 물질(혹은 질량)을 하나로, 그리고 같은 것으로 설명한다. 짧게 말해서 우주의 지도는 에너지 밀도로서 에너지와 물질의 결합과 관련이 있다는 것이다. 

우주의 총 질량/에너지의 22퍼센트를 차지하고 있는 것으로 생각되는 암흑물질을 발견해 내는 데에 있어서 가장 큰 문제는 빛이 암흑물질과 상호작용을 하지 않는다는 것이다. 하지만 이것은 중력이 끌어당기고 있다는 것을 잘 드러내고 있다.

신비에 싸인 물질에 대한 최초의 증거는 75년 전의 일이다. 천체 물리학자가 은하의 무리 안에서 예외적 특성을 발견하면서 발견되게 된 것이다. 은하 성단은 그것이 가질 수 있는 것보다도 수백 배나 더 큰 중력의 힘을 지니고 있었다. 그러나 그것은 관측되는 별들의 질량을 훨씬 뛰어넘는 수치였다.

"우리는 태양과 행성들의 움직임을 아주 정확하게 예측할 수 있습니다. 하지만 멀리 존재하는 것들을 관측하면 예외점들을 발견하게 됩니다"라고 일리노이에 위치한 페르미 국립가속연구소(Fermi National Accelerator Laboratory)의 천체 물리학자 스콧 도델슨(Scott Dodelson) 박사는 말한다. "암흑 물질은 우리가 그것에 대해 어떤 것도 본 바가 없는데도 불구하고 현재 가장 받아들일만한 해답입니다."

암흑 물질의 또 다른 특징은 중력 렌즈 현상이다. 이것은 광택 있는 유리 한 장을 통과하는 빛의 효과와 흡사하다. 태양과 같은 거대한 물체들은 빛을 굴절 시킬 수 있다. 하지만 암흑 물질의 거대한 먼지구름들은 그들 뒤에 있는 은하들이나 별들의 빛을 확대하고 왜곡하며 또한 비슷한 모양을 만들어내는 "거품들"을 우주에 만들어 낸다.

중력 렌즈 현상은 최근 ZwC10024+1652라 불리는 충돌하는 은하들의 성단 주위의 고리와, 총알 성단의 보이지 않는 질량의 증거를 드러냈다.

입자사냥

불명확한 증거들에도 불구하고 과학자들은 현재 암흑 물질의 조각들을 밝혀내고 있다. "실제로 입자들을 찾을 때 까지는 성공한 것이 아닙니다." 도델슨 박사의 말이다. 

소립자 물리학자들은 태양으로부터 쏟아져 나와 일반적인 물질들과는 거의 반응하지 않는 극도로 가벼운 입자들인 중성 미립자들을 발견해 내는 중이다. 하지만 터너 박사는 중성미립자들은 우주에 존재하는 암흑 물질의 극히 작은 부분을 이루고 있을 것이라고 말한다.

터너는 중성미립자에 대해 이렇게 이야기 하였다. "저희는 갱단의 무리들 가운데 한 명을 잡았을 뿐이지, 갱단의 두목을 잡은 게 아닙니다” 그는 리더와 같은 존재가 사실 약하게 상호 작용을 하며, 거대한 입자의 성질을 띈 윔프(WIMP weakly interactive, massive particle)라고 생각하고 있다. 그러나 윔프는 아직까지 이론에 불과하다.

▲ 우주의 대부분을 차지하고 있는 암흑물질과 암흑 에너지는 지금도 과학의 거대한 미스터리로 남아 있다. ⓒScienceTimes

윔프는 아주 무겁지만 중성미립자들처럼 물질과 거의 부딪치지 않아 발견할만한 신호를 만들어 내기에는 어렵다. 하지만 이론적인 입자들인 악시온(원자보다 작은 입자), 혹은 초중성 입자들과 같은 윔프가 가시적인 물질에 부딪힐 수 있다는 생각은 과학자들에게 희망을 주고 있다.

"이것은 조만간 결말 단계에 이를 수 있는 이야기 입니다." 터너는 미네소타 주 소우단(soudan)의 광산에 있는 '극저온 암흑 물질 탐색'이나 지하의 다른 실험들이 윔프를 발견해내기에 적절하다고 주장한다.

반중력

아마도 모든 것 중의 가장 큰 불가사의는 암흑 물질의 사촌 뻘인 암흑 에너지일 것이다. 보이지 않는 힘은 대규모의 '반중력'으로 생각된다. 그것은 은하계의 성단들을 밀어내고 설명 불가능한 우주의 빠른 팽창을 일으킨다. 물리학자들이 암흑 에너지가 우주 에너지 밀도의 74퍼센트를 구성한다고 예측한다. 때문에 터너는 암흑 에너지가 말 그대로 모든 것들 중에서 가장 큰 미스터리라고 생각한다.

"지금까지 암흑 에너지에 관한 가장 큰 업적은 그것에 이름을 부여하는 점일 것입니다." 터너는 그 파악하기 어려운 힘에 대해 이와 같이 말한다. "우리는 정말 이 수수께끼의 시작 단계에 있는 것이죠."

터너는 암흑 에너지를 입자들로는 나뉘어 질 수 없는 반발력 있는 중력으로서 생각될 만한 어떤 "난해한 물질"이라고 설명한다. "우리는 그것이 어떠한 작용을 하는 지 알고 있습니다, 하지만 그것이 무엇인지는 모릅니다."

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“천체 물리학자들이 암흑 에너지의 효과들에 관해 더 자세한 사실을 알아내기 위해서 우주를 깊이 들여다보고 있을 동안, 이론 물리학자들은 어떻게 그 힘이 실지적으로 작용하는 가에 관하여 초점을 두고 있다”고 터너는 말했다. 

그리고 이 점에서, 그는 암흑 에너지에 관한 어떤 물리학자의 설명도 충분히 생각해 볼만한 가치가 있다며 농담을 던졌다. "지금은 아주 창의성이 필요한 기간이기에 여러 가지 다양한 생각들이 필요한 때 입니다."

김형근 객원기자 | hgkim54@naver.com