암흑물질과 암흑에너지란 무엇인가?

우리는 천체망원경이나 전파망원경을 통해 태양과 다른 행성과 은하들을 볼 수 있다. 그런데 물리학자들은 우주에는 보이지 않는 물질(암흑물질)이 훨씬 더 많이 있다고 믿어지기 때문에 그 보이지 않는 우주물질을 확인하려고 애쓴다. ​

눈으로 보고 관측장비로 측정할 수 있는 모든 물질은 거의 전부가 고체, 액체, 기체 상태로 존재한다. 그리고 태양과 수많은 별은 수소와 헬륨으로 구성되어 있고, 거기서는 핵융합반응이 일어나고 있으므로 그들은 플라즈머 상태로 존재한다. 그래서 우주를 구성하는 물질의 99%는 플라즈머이다. 과학자들은 이론적으로 설명되고 있는 암흑물질(dark matter)과 암흑에너지(dark energy)도 플라즈머라고 한다. (본사 블로그에서 ‘플라즈머’를 검색하면, 이런 내용이 소개되어 있다.)

우주를 구성하는 확인 불가능한 존재

우리는 수많은 은하와 항성, 행성, 소행성 등을 망원경으로 볼 수 있다. 이들은 과학적으로 확인이 가능하기 때문에 ‘정상물질’(normal matter)로 이루어져 있고, 그들의 질량은 우주 전체 물질의 5%에 불과하다. 이와 달리, 물리학자들은 우주를 채우고 있는 물질의 대부분은 보이지도 않고 관측되지도 않는 암흑물질이라고 생각한다.

과학적 관측 방법으로는 확인되지 않지만, 반드시 존재한다고 믿어지는 ‘이론상의 물질’이 암흑물질이다. 놀랍게도 암흑물질의 양은 우주 전체 물질의 85%를 차지한다고 믿고 있다. 그리고 암흑에너지(dark energy)는 역시 확인되지 않는 ‘중력과 반대되는 힘’ 즉 ‘서로 밀어내는 이론상의 힘’을 말한다.

물리학자들은 지난 수십년 동안 암흑물질의 존재를 확인하려고 애썼으나 오늘까지도 성공하지 못하고 있다. 물리학자들은 별과 은하들 사이에 나타나는 ‘이상한 중력 현상’을 통해 그들의 존재를 확인했다. 이것은 마치 바람이 눈에 보이지 않더라도 나뭇잎이 흔들리는 것에서 바람의 존재를 믿는 것과 같다.

암흑물질은 1933년에 스위스의 천문학자 쯔위키(Fritz Zwicky 1898-1974)가 머리털자리의 은하단에 있는 은하들의 운동을 조사하던 중에 ‘중력의 법칙’으로 설명할 수 없는 현상을 발견하면서 그 존재를 최초로 예측하게 되었다.

은하단(cluster of galaxies)이란 다수의 은하가 집결해 있는 것을 말한다. 쯔위키는 은하단을 관측하고 있었다. 은하단 속의 은하들은 매우 빠르게 이동하고 있었고, 그들은 서로 흩어져야 할 것이라고 생각되었다. 그러나 은하단의 은하들은 계속 모여 있었으므로, 그는 어떤 우주의 힘이 은하 사이에 작용하고 있을 것이라고 생각한 것이다.

은하단은 수백 수천 개의 은하로 이루어진 은하의 집단이다. 은하단의 전체 크기는 수백만 광년에 이른다. 우주에는 이런 은하단이 다수 있으며, 또한 은하단들이 여러 개 모여 더 큰 초은하단(supercluster)을 이룬 것도 여기저기 존재한다.

이 사진에서 붉은색으로 표현된 곳에는 다수의 은하들이 모여 은하단을 이루고 있다. 이 은하단은 서로 가까워지고 있다. 천체물리학자들은 그 이유를 푸른색으로 표현된 ‘암흑물질의 중력’ 때문일 것이라고 생각한다.

페르세우스 자리에 있는 ‘은하 집단’(은하단)에서는 어떤 이유인지 주변의 별과 은하들이 끌려가고 있다. 이런 현상은 우주 곳곳에서 발견된다. 암흑물질의 존재는 중력 이론을 통해서만 간접적으로 설명할 수 있다. ​

태양계가 속해 있는 우리 은하(milky way)에도 암흑물질이 존재하는 것으로 관측된다. 우리 은하의 중심부에는 센터럴바(central bar)라 불리는 부분(노랑색으로 표현)이 있으며, 이곳에는 항성(별)들이 조밀(稠密)하게 밀집(密集)해 있다. 주변의 나선상 은하와 함께 회전하고 있는 센터럴바는 수십억 년 전 탄생한 이후, 회전속도가 주변의 항성들보다 약 24% 느려진 것으로 관측되고 있다. 센터럴바의 모양이 막대기처럼 된 것은 밀집한 별들이 느리게 회전한 때문이라고 추측되며, 회전속도가 감소한 이유는 암흑물질이 센트럴바에 중력을 미치기 때문이라고 추정하고 있다. 영상은 이해하기 쉽도록 표현한 것이다.

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NASA의 X선관측 우주망원경인 찬드라(Chandra)의 임무 가운데 하나는 암흑물질의 존재를 탐지하는 것이다. 찬드라는 2017년에 우주 깊숙한 곳에서 이해할 수 없이 강력한 X선이 방사되는 것을 발견했다. 물리학자들은 “그 X선은 암흑물질을 구성하는 입자들이 분열하여 생겨나는 것이 아닐까?” 하는 생각을 한다.

이탈리아의 이론물리학자 페체리(Roberto Pecceri 1942-)와 오스트레일리아의 여성 물리학자 퀸(Helen Quinn 1943-)은 1977년에 액시온(axion)이라 명명한 이론적인 원소 입자의 존재를 주장했다. 이 별 사진에서 동그라미가 표시된 별은 백색왜성이다. 이 백색왜성은 어두워졌다가 밝아지기를 반복하면서 광도가 변한다. 그들은 그 이유에 대해 암흑물질과 관계가 있으며, 암흑물질은 액시온일 것이라고 주장한다.

암흑물질의 중력은 다른 천체에게 영향을 미치고 있는 것이 분명하다. 암흑물질에 대해서는 이론들이 많다. 암흑물질은 주기율표에 나오는 어떤 원소도 아니다. 어떤 물리학자는 “그들은 ‘쿼크’라 불리는 아원자입자(subatomic particles) 상태일 것이며, 그들의 성질에 대해서는 현재로서 전혀 짐작할 수가 없다.”고 말한다. 아무튼 현재 암흑물질은 물리학자들에게 중요한 연구 대상이 되어 있다. – YS

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