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1998년, 우주의 팽창 속도가 미지의 ‘암흑 에너지(dark energy)’에 의하여 가속되고 있다는 놀라운 사실이 보고되었다. 우주에는 우리들이 알지 못한 헤아릴 수 없는 양의 에너지가 잠자고 있는 셈이다. 또 우리들은 오랫동안 별이나 은하가 우주의 주역이라고 생각해 왔다. 그러나 우주에는 눈으로 볼 수 없는 미지의 물질이 눈에 보이는 별이나 은하의 몇 십 배나 존재한다는 것이 알려지고 있다. 그것은 ‘암흑 물질(dark matter)’이라 한다. Newton의 다음호 특집에서는 서로 전혀 다른 물질이면서 우주를 함께 지배하는 이 두 가지 ‘암흑’에 대한 수수께끼에 도전한다. 두 가지 ‘암흑’은 무려 우주 성분의 약 95%에나 이를 것이라고 한다. 최신 우주론은 우리들의 우주관을 송두리째 뒤집어 놓을 것이다.
■ 주요 내용
●우주에는 보이지 않는 대량의 ‘암흑 물질’이 존재한다
●암흑 물질은 단지 어두운 천체인 것은 아니다
●우주에 퍼져 있는 ‘유령 입자’가 암흑 물질의 유력 후보
●우주 탄생기에 대량의 유령 입자가 만들어졌다
●뉴트리노는 암흑 물질의 유력 후보에서 탈락하였다
●호킹이 예언하는 ‘미니 블랙 홀’
●우주의 미래는 팽창일까 수축일까?
●우주의 팽창 속도는 가속되고 있었다!
●진공에서는 ‘버추얼 입자’가 생겼다가 사라진다
●‘암흑 에너지’는 버추얼 입자가 만들어 낸다?
●우주는 탄생 직후에도 급격한 가속 팽창을 경험하였다
우주에는 대량의 암흑 물질이 존재한다
1970년경 미국의 베라 루빈 박사팀에 의하여 그때까지의 우주관을 완전히 뒤집는 듯한 충격적인 발견이 이루어졌다. 태양계가 속해 있는 은하계와 같은 소용돌이 은하는 전체가 회전하고 있다. 은하의 중심에는 별이 집중되어 있으므로, 당시 은하는 바깥쪽이 중력이 약하다고 생각되고 있었다. 그 때문에 은하의 바깥쪽 천체는 안쪽보다 저속으로 회전하고 있을 것이라고 예측되었다.
그러나 예측과는 달리, 은하의 바깥쪽도 안쪽과 거의 마찬가지로 고속으로 회전하고 있음을 루빈 박사는 발견하였다. 눈에 보이는 별의 중력만으로는 고속으로 운동하는 바깥쪽의 천체를 묶어 놓을 수 없다. 루빈 박사의 발견은 은하에는 보이지 않는 미지의 물질이 대량으로 존재하여, 고속 운동하는 천체를 그 중력으로 묶어 두고 있다는 것을 의미하였다. 미지의 물질은 ‘암흑 물질’이라고 명명되었다.
나아가 현재는 은하가 모여 있는 은하단에도 대량의 암흑 물질이 존재한다는 것이 판명되어 있다. 또 암흑 물질은 우주 초기에 그 중력으로 주위에서 물질을 끌어당김으로써 은하나 은하단의 형성에 불가결한 것이었음도 알려져 있다.
암흑 물질의 정체는 ‘유령 입자’?
그러면 암흑 물질의 정체는 무엇일까? 중성자별이나 블랙 홀, 갈색 왜성 등의 ‘어두운 천체’일까? 그러나 이들 천체는 존재의 양이 대충 알려져 있어, 모두 합치더라도 팽대한 암흑 물질을 설명할 수 없을 것 같다.
최신 우주론에서는 ‘암흑 물질은 우주에 안개처럼 분포하는 소립자가 아닐까?’ 하고 생각되고 있다. 여기서 말하는 소립자는 지구나 우리들의 몸을 구성하고 있는 양성자나 중성자, 전자 등을 말하는 ‘보통의 입자’가 아니다. 지구조차도 관통해 버릴 듯한 ‘유령 입자’(WIMP)가 암흑 물질의 유력 후보인 것이다.
유령 입자에는 뉴트리노, 액시온, 초대칭성 입자 등이 있다. 그러나 뉴트리노는 최근의 관측에 의하면 암흑 물질이 되기에는 질량이 너무 작은 듯하여 유력 후보에서 밀려나고 있다. 한편 액시온과 초대칭성 입자는 이론으로 예측되어 있을 뿐 존재마저도 아직 실증되어 있지 않다.
우주의 팽창 속도를 가속시키는 ‘암흑 에너지’
1998년 경악스러운 관측 결과가 보고되었다. 우주의 팽창 속도가 가속되고 있다는 것이다.
우주는 고온, 고밀도 상태에서 ‘빅 뱅’이라는 대폭발로 탄생하여 계속 팽창하고 있다. 암흑 물질을 포함한 물질은 그 중력으로 우주의 팽창 속도에 브레이크를 거는 작용을 한다. 만약 암흑 물질이 대량으로 존재하면, 우주의 팽창은 결국 멈추고 우주는 수축으로 바뀌게 된다. 그렇지 않아도 우주의 팽창 속도는 이 중력의 브레이크에 의하여 감속하고 있다고 생각되었고, 오랫동안 우주의 감속 팽창이 상식으로서 믿어져 왔다.
그러나 가속 팽창의 발견에 따라 이 상식이 뒤집혔다. 이 발견은 중력의 브레이크를 뚫고 반발력을 만드는 미지의 에너지가 존재한다는 것을 의미한다. 우주를 팽창시키는 액셀러레이터 역할을 하는 이 에너지는 ‘암흑 에너지’라고 하며, 그 정체를 규명하기 위하여 연구가 계속되고 있다.
암흑 에너지는 버추얼 입자가 만들어 낸다?
암흑 에너지의 정체가 될 유력 후보로서 미국 시카고 대학의 마이클 터너 교수 등이 생각하고 있는 것은 ‘진공 에너지’이다. 극미 세계의 이론인 ‘양자론’에 의하면 진공은 아무것도 없는 공간이 아니다. 진공은 ‘버추얼 입자’가 여기저기에서 생겨났다가 사라지는 분주한 공간인 것이다. 버추얼 입자는 직접 관측할 수는 없지만 존재의 간접적인 증거는 있다. 그리고 우주 공간에 차 있는 버추얼 입자를 만들어 내는 에너지가 진공 에너지인 것이다.
‘인플레이션 우주론’에 의하면 우주는 탄생 직후에도 극히 짧은 시간 동안 몇십 배, 몇백 배나 급팽창(인플레이션)을 일으키게 된다. 이 급팽창의 근원도 진공 에너지라고 생각되고 있다. 그것이 사실이라면, 이때의 진공 에너지 가운데 약간 남은 것이 현재의 우주론을 가속 팽창시키고 있는 암흑 에너지일지도 모른다.
현재 우주론의 연구자들 사이에서는 우주의 구성 요소는 보통의 물질이 약 5%, 암흑 물질이 약 30%, 암흑 에너지가 약 65%라고 생각되고 있다. 12월호 Newton Special에서는 이들 최신 우주론을 소개함으로써 서서히 밝혀지고 있는 우주의 참모습에 다가간다.
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