암흑물질과 암흑에너지를 찾아서

별 너머에 존재하는 것들 - 우주의 95%, 보이지 않는 어둠에 관한 과학 서사
아메데오 발비 지음, 김현주 옮김, 황호성 감수 / 북인어박스 / 2023년 5월

 우주는 140억년에 가까운 역사를 갖고 있으며 생겨난 이후로 계속 팽창을 거듭하여 아직도 관측하지 못할 부분이 있을 정도로 광대하다. 우주라는 시공간엔 물질이 있는데 우리를 비롯한 항성계 등을 구성하는 물질은 우주 전체의 5%에 불과하며 나머지 25%정도를 암흑물질이 나머지 70%를 암흑에너지가 차지하고 있을 것으로 추정한다. 양자는 모두 인간이 밝혀낸 네 가지 힘에 반응하지 않으며 중력에만 반응하는 것으로 생각되는데 그 때문에 이렇게 엄청난 양임에도 관측이 아직까지 불가능하다. 

 이중 암흑물질은 우주의 생성과정에서 중력작용을 하여 터무니 없이 부족한 물질이 지금의 은하구조를 형성하는데 기여한 것으로 보인다. 그리고 암흑에너지는 우주가 계속해서 팽창하는 힘의 근원으로 생각된다. 양자는 관측이 되지 않기 때문에 끊임없이 그 존재를 의심받았지만 있다고 생각해야만 모든 것의 아귀가 맞아 떨어지기에 관측되어 실증되기만을 기다리고 있으며 힉스입자처럼 반드시 있다고 생각되는 것들은 대개 언젠간 관측이 되고 말았다.

 이 책은 우주의 기원과 그 구조의 발견을 통해 암흑물질과 암흑에너지를 향해 나아가는 방향을 담고 있다. 우리는 태양 빛에 늘 의존하여 살아가는데 태양은 늘 핵융합을 하기에 방금 만들어진 광자가 우릴 향한다고 생각한다. 물론 7분의 시간차로 말이다. 하지만 방금 내몸을 덮힌 광자는 7분 전이 아니라 사실 수십만년 전에 생성된 것이다. 태양의 내부에서 핵융합으로 광자가 만들어지면 주변 온도가 매우 높아 다른 물질들이 플라스마 상태이기에 광자가 계속 튕기고 반사되어 좀처럼 앞으로 나가지 못하게 된다. 광자는 거대한 태양외부에 도달하는데 무려 수만년에서 수십만년을 소요한다. 방금 쬔 햇빛은 인류역사보다 긴 세월을 살아온 셈이다.

 우주도 태양 내부와 비슷한 적이 있었다. 빅뱅 초기 에너지가 온도가 매우 높아 뜨거운 플라스마와 큰 에너지를 가진 수많은 광자가 가득했다. 이들은 서로 충돌하고 광자는 이동할 수 없는 소위 불투명한 우주에 있었다. 우주가 팽창하여 온도가 낮아지자 물질이 플라스마 상태에서 벗어나 하전입자들이 중성수소 원자가 되어 고아자가 우주로 퍼질수 있게 되었다. 이 시점이 빅뱅후 38만년정도 지난 시점이다. 이 때 온도는 3000k로 이는 태양의 광구 온도와 비슷하다. 이 뜨거운 복사들이 우주로 퍼져나갔고 우주는 지속적으로 팽창해 복사의 파장도 팽창했는데 그래서 지금은 고작 3k정도의 마이크로 무선파 정도로 변환되었고 이것이 우주배경복사다. 

 이처럼 우주는 지속적으로 팽창해 현재 우리가 관측 가능한 우주지평선은 약 500억 광년 정도이다. 물론 빛은 계속 이동하기에 우주 지평선은 조금씩 늘어나지만 우주도 계속 커지기에 관측 가능한 영역엔 한계가 자리 한다. 지금까지 관측 한 것중 가장 멀리서 일어난 것은 블랙홀이 붕괴되어 나오는 감마선 폭발로 우주가 생긴지 6억년 정도 된 후의 일로 추정된다. 그리고 우리가 관측한 것중 가장 오래되고 먼 신호는 당연히 우주배경복사가 된다. 

 우주배경복사가 생기기전인 빅뱅후 38만년전 이전은 광자가 나올 수 없었기에 우리에겐 사실상 영원히 관측이란게 불가능한 지점이 된다. 이걸 알아낼 수 있는 유일한 방법은 우주에 있는 원자에서 방출된 희미한 신호를 찾는 것이다. 빅뱅후 30만년에 중성수소가 이온화한다. 그리고 최초의 별이 방출한 자외선으로 인해 중성수소가 다시 양성자와 전자로 분해되었다. 우주를 돌던 우주 배경복사는 이 양성자와 전자와 상호작용을 하여 아무 방향으로나 분산하거나 편광되는데 이 흔적을 연구하면 초창기 별과 은하형성시기에 대한 정보를 찾을 수 있다고 한다. 

 우주의 곡률은 초창기 중요한 문제였다. 우주의 곡률은 우주에 존재하는 모든 물질의 평균밀도와 관련하는데 이 평균밀도가 세제곱미터당 10의 -29보다 크면 우주는 구형이 되며 낮으면 쌍곡면이 되고 비슷하면 편평하다. 곡률이 양수이면 거대하나 하나로 연결되는 구체같은 형태가 된다. 즉, 우주는 무한히 크나 크기가 정해져있다. 때문에 안정적이고 정적이고 완결된 우주로 초기 학자들은 이 개념을 선호했다. 반면 곡률이 음수면 우주의 한계는 없고 영원히 팽창해 나간다. 곡률의 계산은 삼각형을 통해 할 수 있다. 공간에 삼각형을 그려 그 내각의 합이 180도이면 편평한 것이며 180이상이면 구형, 그보다 작으면 쌍곡면이다. 다만 우주의 곡률이 매우 작아 삼각형의 길이가 거의 우주지평선가지 펼쳐져야 했는데 관측결과는 우주가 편평한 평면 기하구조인 것으로 나타났다. 

 하지만 여기서 모순이 발생했다. 이렇게 편평하려면 우주의 평균밀도가 위에 언급한 정도가 되어야 하는데 관측 결과 우주의 물질이 터무니 없이 모자랐던 것이다. 때문에 과학자들은 암흑물질의 존재를 생각해내고 이를 상정할 수 밖에 없었다. 암흑물질은 이렇게 등장했고 현재 모든 은하에 곳곳이 펴져있는 것으로 추정된다. 암흑물질은 현재 직접 관츨은 어렵지만 중력렌즈효과 등으로 있는 것이 간접적으로 입증된다. 

 탄성의 법칙은 두 물체 간의 힘이 거리가 멀어질수록 감소하는게 아니라 거리에 비례하여 증가한다는 것이다. 그런데 이는 당기는 힘인 인력이 아니라 미는 힘인 장력으로 작용한다. 이 반발력이 우주가 팽창하는 요인인데 우주적 규모에서는 중력과 균형을 맞추는 정도지만 더 짧은 거리에서는 무시할 만한 수준이다. 우주가 끊임없이 빠른 속도로 팽창함에도 태양계나 은하내에서 서로간의 거리에 이렇다할 변화가 없는 이유다.

 허블상수는 일정한 거리만큼 떨어진 두 은하 사이를 멀어지게 하는 상대적인 속도로 우주의 팽창률이다. 이는 비례법칙으로 두 은하가 두 배의 거리라면 두 배의 속도로 멀어진다는 뜻이다. 즉, 우리은하와 멀리 떨어진 은하일수록 우리와 더욱 빠른 속도로 팽창하여 멀어진다는 셈이다. 우주의 팽창을 정확히 알려면 광원들의 거리를 측정해야 한다. 이는 Ia초신성으로 가능했다. Ia초신성은 쌍성계에서 하나가 수소의 고갈로 백색왜성이 되고 이후 다른 항성과 행성의 물질을 자양분으로 성장하다 어느 시점에 질량이 너무 커지면 격렬한 폭발을 일으키는 것이다. 폭발 후 밝기가 감소하는 속도는 최대 밝기와 관련하는데 Ia초신성은 최대 밝기가 매우 짧아 방출되는 빛의 시간적 변화를 관측하면 폭발의 실제 광도가 유추되어 거리를 측정할 수 있다. 

 Ia초신성 관측 결과 우주의 팽창은 감속 팽창이 아니라 가속 팽창인 것으로 확인된다. 하지만 이렇게 되려면 암흑물질을 포함하여도 물질의 밀도가 부족했는데 광활한 에너지인 암흑에너지가 그 밀도를 충족하기에 우주가 가속 팽창하는 것으로 추정된다. 즉, 암흑에너지도 팽창의 설명을 위해 필요해진 것이다. 

 암흑물질과 암흑에너지를 누군가 관측해낸다면 반드시 노벨상 감이라 생각된다. 우주의 생성원리나 근원에 대해서도 상당부분 설명해낼수 있을지도 모른다. 그 날이 기대되면서도 무섭다.