45. 암흑에너지와 암흑물질

45. 암흑에너지와 암흑물질

지난 시간에 반물질 이야기를 했으니 이번 시간에는 암흑물질과 암흑에너지를 이야기해야겠다.

1) 암흑에너지

우주 생성의 순간이라고 믿어지는 빅뱅,
우주과학자들은 그 빅뱅이 있은 지 137억년이 지났다고 한다.

그런데 우리는 이런 질문을 가질 수 있다.
빅뱅으로 시작된 우주는 끝없이 계속 팽창할 것인가, 어느 정도 팽창하다가 정지해서 그 상태로 영원히 지속될 것인가, 아니면 점점 팽창속도가 줄어들고 정지하고 다시 서서히 줄어들어 합쳐지고 오백억 년, 천억 년, 조 년....., 시간이 지나면 결국 도로 한 점으로 모여서 종말을 맞이할 것인가?

스티븐 호킹 같은 우주과학자들에 의하면 지금도 우주는 빠른 속도로 팽창을 계속하고 있다고 한다.
그것도 팽창속도가 줄어드는 것이 아니라 점점 빨라지고 있다고 한다. 1997년에 관측된 수퍼노바 Ia 천체의 적색편이 현상은 우주가 수십억 년 전 보다 더 빠른 속도로 팽창하고 있다는 사실을 시사하고 있다는 것이다.
또한 130억 광년 떨어진 곳의 초신성(퀘이사)의 관측을 통해서도 암흑에너지의 존재를 뒷받침하는 증거들이 관측되었다는 것이다.

적색편이라는 것은 빛이 실제보다 적색 쪽으로 보인다는 뜻이다.
기차가 달려올 때는 높은 음의 소리가 나다가 지나가 멀어질 때는 낮은 음의 소리로 들리는 것과 같은 현상이다.
빛이 주파수가 짧은 청색 쪽으로 변하면 가까워지고 있다는 뜻이고 주파수가 긴 적색 쪽으로 바뀌면 멀어지고 있다는 뜻이 된다.
관측된 적색편이 현상은 우주가 지금도 팽창을 계속하고 있다는 것이다.

이렇게 우주가 중력을 이기고 계속 팽창하고 있는 이유는 우주 안에 있는 모든 물질들이 가지는 전체 인력(중력)을 이기는 어떤 미지의 힘이 우주를 계속 팽창시키고 있다는 것을 의미하는 것이다. 우주과학자들은 그 미지의 힘을 암흑에너지(dark energy)라고 부른다.

나아가서 우주를 이루는 74%가 암흑에너지, 22%가 암흑물질, 나머지 4%가 보통 물질이라는 것이다. 그리고 이 4%의 물질도 대부분을 수소와 헬륨 같은 가벼운 물질들이 차지하고 오직 0.4%만이 무거운 물질로 별과 천체들을 이루고 있다는 것이다.
겨우 0.4%라고?

암흑에너지는 지금도 우주를 팽창시키고 있다. 만일 암흑에너지가 우주를 끝없이 팽창시킨다면 언젠가는 모든 물질이 흩어지고 깨어져 사라져버리고 궁극적으로는 방사선만이 우주 가득히 남게 될 것이라고 한다.

2) 암흑물질

암흑에너지와 암흑물질은 다르다.
암흑에너지는 우주를 끝없이 팽창시키지만 암흑물질은 오히려 그 반대로 작용하고 있다.

우주에는 2,000 억 개나 되는 은하들이 흩어져 있다.
우리 눈에 잘 보이지도 않는 저멀리 아득한 작은 별들이 실은 은하계가 수 십 개씩 몰려있는 은하들의 집단이기도 하다.

우리는 앞에서 ‘중력렌즈’라는 것을 배웠다. 아인슈타인이 ‘공간의 휨’으로 예측한대로 중력에 의하여 빛이 휘어진다.
그리고 아인슈타인은 태양에 의하여 빛이 휘어지는 각도를 계산해 내었고 그것이 개기일식 때 그대로 관측된 것도 알았다.
이 중력렌즈로 휘어진 빛의 각도를 가지고 역으로 계산하면 빛을 휘게 한 천체가 가지는 중력도 계산해낼 수가 있다.  

그런데 우주과학자들은 우주의 머나먼 곳의 은하들의 집단, 곧 은하단을 관측하면서 이상한 현상을 발견한다. 은하들의 움직임이 은하들이 가진 물질보다 훨씬 더 큰 질량을 가진 것처럼 행동하는 것으로 나타난 것이다.
그렇다면 눈에 보이지 않고 관측되지 않는 어떠한 물질들이 그 은하들에 포함되어 있다는 것이다.

그 뿐 아니었다. 우리가 속해 있는 은하계도 그 중심부에 가까이 위치한 천체들의 운행속도와 은하계 가장자리에 있는 먼 천체들의 운행속도가 중력과 인력의 계산으로는 맞아 들어가지 않는 이상한 속도라는 것이 밝혀진 것이다.
그것은 은하계 안에도 보이지 않는 암흑물질들이 존재하고 있다는 것을 보여주는 것이었다.

또한 빅뱅으로부터 시작하여 물질이 생성되고 우주가 시작되는 과정에 대한 계산공식과 설명이 암흑물질을 빼고서는 맞아 들어가지 않는다는 점도 암흑물질의 존재를 나타내는 것이었다.

암흑물질(dark matter)은 전자기파, 곧 빛이나 전파에 대하여 아무 반응이나 작용을 하지 않는다. 빛이든 전파든 무엇이든 그러한 것을 통하여서는 그 존재를 전혀 나타내지 않는 물질이다.
그러나 중력을 통하여, 인력의 힘을 통하여, 중력렌즈를 통하여 그 존재를 나타낸다.
앞서 말한 대로 우주공간에는 우주물질 전체의 약 74%는 암흑에너지, 그리고 약 22%가 암흑물질인 것으로 계산되고 있다.

암흑물질이 무엇으로 이루어져 있는지는 알려지지 않았다.
전자기적인 상호작용이 없는 것으로 보아 양자, 전자, 중성자 같은 것은 분명히 아니다.
그렇다고 블랙홀, 중성자별이나 백색왜성이나 갈색왜성을 이루는 중입자 물질(MACHO, massive compact halo object) 같은 것이라고 보기도 어렵다. 최경 초짝입자, 액시온, 불임중성미자 같은 후보물질들이 암흑물질의 후보로 떠올라 있지만 확인된 것은 없다.

암흑물질이 은하계에서도 작용하고 있는 것으로 보아 지금 이 시간에도 우리 지구와 우리 몸을 통과하여 다니고 있는지도 모른다. 이 암흑물질의 흔적을 찾아보려고 어떤 과학자들은 특별한 관측장치를 만들어서 깊은 폐광이나 지하 암염동굴에 갖다놓았다고도 한다.

그렇다면 혹시 암흑물질도 반입자, 반물질 같은 식으로 물질의 반대편으로 생겨난 것은 아닐까?
이러한 생각을 하는 사람들도 있긴 있다.
그 사람들은 우주를 해석하는 공식 중에서 아인슈타인이 도입한 우주상수에 주목한다. 아인슈타인이 도입한 우주상수는 사실 근거가 없는 추정에 의한 수치라는 것이다. (뭐, 복잡한 공식은 빼고 설명하자, 머리 아프니까.)

그 사람들은 우주공식의 질량에 반질량(反質量)을 도입한다.
또 음양설(陰陽說)인 셈이다.
질량이 생겨나려면 반질량도 생겨났을 것이란 거다.
아니, 반질량이라니? 질량에도 마이너스가 있나?
그러나 그 사람들은 공식과 이론상으로 마이너스 질량도 있을 수 있다는 것이다.

반질량 물질이 있다면 어떻게 되는데?
반질량 물질이 질량을 가진 물질을 만나면 반물질이 물질과 합쳐져서 소멸되는 것과 마찬가지로 소멸되어 버린다는 것이다.
어처구니없게 들리는 소리다.

그런데 이 어처구니없는 이야기가 우주공간에서 벌어지는 것이 관측되고 있다는 것이다.
거대한 은하단에서 관측된 바, 반질량물질들이 서로를 밀어내어 떨어진 사이에 보통물질로 이루어진 은하가 끼어들었다는 것이다.
그래서 반질량물질들과 질량물질들이 합쳐지면서 사라지는 현상이 지금 진행되고 있다는 것이다.
이때는 질량이 사라져도 E = mc² 공식에 따른 에너지도 안 나온다. 왜냐하면 질량이 대칭되는 반질량으로 제로가 되어버리기 때문이란다.
점입가경이다.

그러나 암흑물질이 반질량물질이라는 뜻은 아니다.
만일 암흑물질이 반질량물질이라면 질량물질에 대하여 작용을 하기는커녕 질량을 없애면서 사라지기 바쁠 것이기 때문이다.

도대체 우주공간에는 얼마나 많은 비밀이 숨어있는 것일까?
우주공간에서는 무슨 일이 벌어지고 있는 것일까?
우주공간에서 벌어지고 있는 일들이 현대과학으로도 풀리지 않는 수수께끼투성이인 것만은 틀림없다.

인류는 현대과학으로 관측되는 현상을 빤히 보면서도 수학공식과 온갖 이론을 동원하여서도 우주의 비밀을 풀어내지 못 하고 있다.
보이는 현상도 풀어내지 못 하면서 빅뱅의 이론을 만들고 우주생성 기원을 공식과 수치로 만들어내었으니 과연 그것이 과연 맞는 것인지?  

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