암흑물질과 암흑에너지란 무엇인가?

스타에디터3시리즈콜라보상식의 재발견

10분 안에 정리한다!

보누스 출판사

(* 이 포스트는 보누스가 출간한 <과학이론 20>에서 발췌한 것입니다.)

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우주에서는 소수에 불과한 ‘물질’

 

물질은 쿼크가 모여서 만들어지는 양자나 중성자 등의 복합 입자로 구성된다. 이 세계에서 우리는 물질에 둘러싸여 있으며 물질과 접촉하면서 살고 있다. 그러나 우주에는 우리 눈에 보이지 않는 ‘암흑물질’(dark matter)도 존재한다.
물질은 ‘빅뱅’ 당시에 탄생했는데, 암흑물질도 같은 시기 혹은 그 시기를 약간 전후해서 생겨난 것으로 추측한다. 정체불명의 물질이지만, 만약 암흑물질이 없었다면(암흑물질의 질량이 없었다면) 우주는 지금 같은 형태로 진화할 수 없었을 것이다. 이는 여러 연구자들이 컴퓨터로 시뮬레이션을 진행해 얻은 결과이기도 하다. 우리가 속한 은하계나 다른 은하가 별의 집단으로서 지금과 같은 형태로 모여 있는 것도 사실은 암흑물질이 있기에 가능했다.
또한 우주에는 암흑물질뿐만 아니라 ‘암흑에너지’(dark energy)라고 부르는 수수께끼의 에너지도 존재한다는 사실이 관측을 통해 밝혀졌다. 알 수도 없고 볼 수도 없는 이 정체불명의 에너지가 지금도 우주를 점점 빠르게 팽창시키고 있는 주역이다. 21세기인 현재도 암흑에너지의 정체에는 거의 다가가지 못했지만, 암흑에너지가 물질이나 암흑물질과 함께 우주를 구성하는 중요한 구성원임에는 틀림이 없다.
2013년 유럽우주국(ESA)은 인공위성 ‘플랑크’가 수집한 데이터를 분석해 발표했다. 우주가 물질 4.9퍼센트, 암흑물질 26.8퍼센트, 암흑에너지 68.3퍼센트로 구성되어 있다고 밝힌 것이다. 우주 배경 복사의 동요를 측정하기 위해 미국항공우주국(NASA)이 2003년에 발사한 탐사기 ‘WMAP’(윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기)는 암흑물질이 22~23퍼센트, 암흑에너지가 73퍼센트라고 산출한 바 있으므로 이에 비하면 암흑물질이 약간 많이 계측된 셈이다.

이 세계의 주역이라고 인류가 믿어 의심치 않았던 ‘물질’은 우주에서 불과 5퍼센트도 되지 않는다.

항성이나 행성의 재료도, 생물을 형성하는 것도, 생명 활동에 필요한 것도 전부 ‘물질’이다. 아주 최근까지만 해도 우리는 물질이 이 세계의 전부라고 생각했다. 빅뱅으로부터 시작된 우주의 역사도 당연히 물질을 중심으로 상상해왔다. 그런 까닭에 갑자기 “우주에서 물질의 구성 비율은 5퍼센트도 안 됩니다.”라는 말을 들으면 당황스러운 것이 많은 사람의 솔직한 심정이 아닐까 싶다.

우주에서 암흑물질이 맡은 역할

 

암흑물질에 질량이 있으며 ‘무겁다’는 사실은 알려져 있다. 또 암흑물질이 대량으로 있지 않았다면 은하는 지금과 같은 형태로 뭉치지 못했으며, 은하의 구조나 은하군, 은하단이 만드는 우주의 거대 구조(37쪽)도 지금과는 다른 모습이 되었을 것이라는 사실도 알게 되었다.

암흑물질의 정체는 이미 잘 알려진 입자・소립자 외에 블랙홀이나 차가워진 백색왜성, 갈색왜성 등의 빛을 발하지 않는 천체를 중심으로 후보가 차례차례 거론되었으며 확인도 진행되었다. 현시점에서 위에서 언급한 후보군은 전부 제외된 상태다.
암흑물질의 정체는 아마도 미지의 입자일 것으로 예상하고 있다. 현재 가장 가능성이 높은 것은 초대칭 이론에서 존재가 예언된 ‘뉴트랄리노’(neutralino)라는 중량급 입자인데, 아직까지는 이 입자가 정말로 존재하는지도 알 수 없다. 이 또한 지금은 예측 단계에 불과하다.

암흑물질을 발견하지 못하는 이유는 암흑물질이 일반 물질과는 아무런 반응도 하지 않으며, 전자기파에도 반응하지 않는 탓에 인류가 지닌 수단으로는 관측이 곤란하기 때문이다. 다만 최근 들어 암흑물질끼리 충돌해서 쌍소멸할 가능성이 지적됨에 따라 새로운 탐사가 시작되었다. 분명히 감마선원(源)이 존재하지 않을 왜소 은하에서 수수께끼의 감마선이 포착되고 있는데 이를 실마리로 암흑물질의 정체를 밝히려는 것이다.

 

암흑물질은 은하계를 구형으로 감싸고 있는 헤일로를 뒤덮고 있을 것이다.

우리가 사는 은하계는 렌즈 모양의 중심부에서 몇 개의 팔이 소용돌이 형태로 뻗어서 원반(은하 평면)을 만들고, 그 주위를 성간 물질이 구형(球形)으로 감싸고 있는 듯한 형태를 띠고 있다. 성간 물질이 둘러싸고 있는 구형 부분이 헤일로(halo)라고 부르는 영역으로, 그곳에 구상성단(球狀星團)도 드문드문 분포한다. 암흑물질은 이 헤일로를 뒤덮듯이 은하를 감싸고 있는 모양이다.
이는 은하계의 옆에 있는 안드로메다은하도 마찬가지다. 두 은하는 지금 합체하기 위해 천천히 접근하고 있는데, 두 은하를 서로 끌어당기고 있는 강대한 인력의 근원도 양 은하에 존재하는 방대한 암흑물질이다. 그런 은하계와 안드로메다은하는 중력으로 연결되어 국부은하군이라는 작은 집단을 형성하고 있다. 이 집단은 커다란 은하 3개와 각각의 위성 은하를 중심으로 한 수백 개의 작은 은하로 구성되어 있는데, 언젠가 모든 은하가 하나로 융합되어 거대한 은하가 될 것으로 추측한다. 이 시나리오를 뒤에서 몰래 조종하고 있는 흑막도 바로 암흑물질이다.
은하를 중력으로 끌어당길 정도로 많이 존재하지만 암흑물질을 좀처럼 발견하지 못하는 데는 행성 주변에 암흑물질이 많지 않다는 이유도 있다. 바로 이 순간 지구 내부에도 암흑물질이 존재하지만, 그 양은 질량으로 계산하면 겨우 500그램에 불과하다는 추측도 있다. 따라서 아무리 정밀한 장치를 만들어도 지상에서 암흑물질을 관측하는 일은 매우 어려울 수밖에 없다.

은하를 공전하는 항성의 비밀

 

암흑물질이 대량으로 모여 덩어리를 이룬 곳에서는 은하나 블랙홀의 중력에 빛이 휘어지는 ‘중력 렌즈’ 효과가 발생한다. 암흑물질 덩어리의 후방에 있는 별이나 은하의 위치가 실제의 위치와 다르게 보이는 것이다. 중력 렌즈 효과를 역이용해서 광원의 어긋남이나 이중상 등을 통해 은하 사이에 있는 공간에 암흑물질이 얼마나 분포하는지를 확인하는 연구도 진행되고 있다.
또한 우리가 소속된 은하계의 항성이 공전하는 속도를 이용해서 암흑물질의 존재나 그 양을 확인할 수가 있다. 항성의 주위를 도는 행성의 궤도와 속도의 관계처럼 은하계에서도 항성은 바깥쪽에 있을수록 느리게 공전한다고 생각했다. 그런데 실제로 항성의 공전 속도를 측정해보니 그렇지가 않았다. 은하계의 항성과 항성 사이에 보이지 않는 무엇인가가 있어서 그영향으로 예측과 다른 결과가 나왔다고밖에는 생각할 수가 없었다.

그림은 예측과 관측 데이터를 간략화한 것이다. 그래프의 가로축은 은하 중심으로부터의 거리, 세로축은 항성의 공전 속도다.

 

예를 들어 레코드나 CD 같은 원반을 회전시키면 위 그래프 ①처럼 회전한다. 가로축은 회전 중심으로부터의 거리이고 세로축은 회전하는 속도다. 회전하는 원반은 주변부로 갈수록 고속이 된다. 이것이 원반의 회전이다. 한편 행성은 항성으로부터 멀어져 공전 거리가 길어질수록 속도가 느려진다. 요컨대 그래프 ② 처럼 된다.
거대한 블랙홀이 존재하는 은하의 중심부에서는 거대 질량이 만드는 강대한 중력이 주위의 항성을 꽉 붙잡고 있기 때문에 중심과 특히 가까운 영역의 경우라면 항성이 원반 위에 올라가 있는 듯이 움직일 것이다. 한편 은하 중심부의 중력이 약해지는 중반부터 주변부는 바깥쪽으로 갈수록 공전 속도가 느려져야 할 터이므로 연구자들은 그래프 ①, ②를 합성한 느낌을 주는 그래프 ③을 얻으리라고 예측했다. 그런데 실제로 얻은 데이터는 그래프 ④와 같았다. 은하의 변두리 지역에서도 공전 속도가 떨어지지 않았고, 항성은 중반 이후부터 가장자리까지 같은 속도로 공전하고 있었던 것이다.
게다가 은하계 이외의 여러 은하를 관측했을 때도 같은 데이터를 얻었다. 눈에 보이지 않는 물질이 존재해 항성의 공전에 간섭하고 있는 것이 아니라면 이런 형태의 그래프가 나올 수가 없다. 즉, 이것이야말로 ‘암흑물질’이 존재한다는 증거라고 할 수 있다. 은하계를 비롯한 온갖 은하가 암흑물질이라는 두꺼운 옷을 걸치고 있었던 것이다.
은하계에 실제로 존재하는 암흑물질과 그 질량을 입증하는 중대한 증거가 또 하나 발견되었다. 2012년 일본 국립천문대 팀은 관측을 통해 우리 태양계의 태양이 초속 240킬로미터라는 엄청난 속도로 공전하고 있음을 확인했다. 이것은 은하계에 존재하는 ‘물질’이 만드는 중력만으로는 도저히 성립할 수 없는 속도였다. 우리가 알고 있는 은하의 질량을 기반으로 생각하면 태양계 전체가 은하의 바깥으로 날아가버릴 정도의 속도인 것이다.
그러나 그럴 조짐은 전혀 보이지 않는다. 암흑물질의 질량이 만드는 중력이 더해졌기에 태양이 이런 속도로도 안정적으로 은하계를 공전할 수 있는 것이다.

우주의 계층 구조와 암흑물질

 

현재 우주에서는 은하가 은하군과 은하단이라는 집단을 만들고, 나아가 그런 은하의 집단이 거대하면서도 복잡한 그물눈 구조를 형성하고 있다. 그런데 은하가 많이 모여 있는 영역과 거의 없는 영역(거시공동. void)을 형성하는 데도 암흑물질이 주도적인 역할을 하는 듯하다.
초기 우주에도 암흑물질의 양은 많았다. 비율이 현재와 같았다면 일반 물질의 5배 전후는 되었을 것이다. 시간이 지나면서 암흑물질이 많은 곳과 적은 곳, 즉 편차가 생겼을 것으로 생각된다. 암흑물질이 많은 곳은 주위의 암흑물질을 더욱 끌어당겨 덩어리가 되어갔다.
그 강력한 중력에 이끌려 일반 물질도 모여들었다. 이윽고 암흑물질의 밀도가 특히 높았던 장소에서 최초의 항성이 탄생했다. 이후 항성이 집단을 이루면서 은하를 만들고 은하단을 만들게 되는데, 이것은 암흑물질이 고밀도였던 장소로 물질이 끌려들어 갔기 때문인 것으로 추정한다. 요컨대 암흑물질이 없었다면 지금 우주에서 볼 수 있는 거대한 구조는 만들어지지 않았을 것이다. 이는 시뮬레이션을 통해서도 밝혀졌다.

우주에 은하단의 대규모 구조가 존재하는 것도 암흑물질 때문이다.

 

암흑에너지는 증가하는가?

 

일부 연구자는 암흑에너지가 빅뱅 전에 일어난 우주의 인플레이션에도 관여했을 것으로 생각한다. 그러나 당시 우주가 어떤 상태였는지조차 아직 알지 못하는 상황이기 때문에 이를 증명하거나 확인하기는 어려운 일이다.
지금까지의 연구에 따르면 암흑에너지는 우주에 균일하게 존재한다. 신기한 점은 우주가 팽창해도 특정 장소(영역)에 있는 암흑에너지가 줄어들지 않는다는 사실이다. 일반적인 에너지라면 부피가 8배 정도 팽창했을 때 부피당 에너지도 8분의 1로 줄어들어야 이상하지 않다. 그러나 암흑에너지는 다르다. 에너지 보존의 법칙을 비웃듯이 무한정으로 공급된다. 물론 그렇다고 해서 우주의 곳곳에 커다란 구멍이 뚫려 있고, 그곳에서 암흑에너지가 흘러나오는 것은 아니다. 모든 장소에서 동시에 실시간으로 에너지가 공급되는 식이다. 그렇기 때문에 우주는 기세를 유지하며 지속적으로 팽창한다. 참으로 비상식적인 에너지라고 할 수 있다.

과학이론 20

저자 호소카와 히로아키

출판 보누스

발매 2017.08.10.

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