우주이야기: WMAP 위성
우주론의 창시자 데이비드 윌킨스David Wilkinson(1959~)의 이름을 딴 정밀한 계측기를 탑재한 WMAP 위성이 2001년에 발사되었습니다. 우주배경복사cosmic background radiation 관측을 위해 발사된 이 위성이 2003년 2월 빅뱅 후 38만 년이 지난 초기우주에 관한 데이터를 전송했습니다. 별과 은하를 생성시키고 남은 원시우주의 에너지가 그 후 지금까지 수십억 년 동안 우주를 배회하고 있다는 것은 알려진 사실이었으나 WMAP 위성이 전송한 에너지 분포 데이터는 전례를 찾아볼 수 없을 정도로 정확한 것이었습니다. 자료로부터 재현된 빅뱅의 잔해로 전 우주공간에 퍼져있는 복사에너지인 우주배경복사의 지도가 학자들의 넋을 빼앗아갔습니다. 미국 뉴저지주에 프린스턴에 소재하는 1930년에 설립된 프린스턴 고등과학원Institute for Advanced Study의 존 노리스 바콜John Norris Bahcall(1934~2005)은 WMAP 위성의 관측결과를 “우주론을 사색이론에서 정밀한 과학의 장으로 끌어올린 쾌거”로 평가했습니다. WMAP 위성의 자료가 정확했던 이유는 거기에 탑재된 망원경이 매우 멀리 떨어져 있는 천체를 관측할 수 있었기 때문입니다.
우주공간은 일종의 타임머신time machine입니다. 달 표면에서 반사된 빛이 지구에 도달하는 데는 약 2초가 걸리므로 우리는 항상 달의 2초 전의 모습을 보고 있는 것입니다. 태양에서 출발한 빛이 지구에 도달하는 데는 약 8분 20초가 걸립니다. 이와 같이 밤하늘에 빛나는 모든 별은 각기 다른 시대의 모습을 우리에게 보여주고 있는 것입니다. 예컨대 망원경이 지구로부터 100광년 떨어진 별을 포착했다면 관측자는 100년 전의 별의 모습을 보고 있는 것입니다. 1광년light year은 약 9조5천억km입니다. 멀리 있는 은하로부터 방출된 빛은 수억 년 내지 수십억 년 동안 우주공간을 달려와야 지구의 망원경에 도달할 수 있습니다. 따라서 이 빛들은 은하에서 생성된 ‘빛의 화석’인 셈입니다. 망원경으로 볼 수 있는 천제들 중 가장 멀리 있는 것은 강력한 전파원電波源이며, 항성상恒星狀 천체 혹은 항성상 전파원라고 하는 퀘이사quasar로 지구로부터 120억 내지 130억 광년 떨어진 우주의 변방에서 현재도 외롭게 빛을 발하고 있습니다. 놀라운 점은 WMAP 위성이 복사를 관측하는 데 성공한 것은 그보다 먼 곳에서 날아온 빛입니다. 그것으로부터 우리는 우주의 나이가 약 137억 년이라는 것을 알 수 있게 되었습니다. 137억 년이란 값에 대한 오차는 1%라서 의심하지 않아도 됩니다.
WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) 프로젝트는 1995년 미국 항공우주국NASA(The National Aeronautics and Space Administration)에서 처음 제안되었고, 그로부터 2년 뒤 정식 승인되었습니다. WMAP 위성은 델타 II호 로켓에 실려 2001년 6월 30일에 태양과 지구 사이의 궤도를 향해 발사되었으며, 목적지는 라그랑주Lagrange 제2지점(지구 근처에서 상대적으로 안정된 지점으로 흔히 L2라고 한다)이었습니다. 이 지점에서 WMAP 위성은 태양･지구･달의 반대편을 향하도록 설계되었으므로 광활한 우주공간을 정면에서 바라볼 수 있습니다. 위성의 본체는 알루미늄으로 되어 있고 가로 3.8m, 세로 5m의 크기에 무게는 840kg에 불과합니다. 보통 크기의 전구 5개에 불과한 419와트의 전력으로 작동되는 천체망원경은 마이크로복사파의 관측데이터를 지구로 꾸준히 전송합니다. WMAP 위성의 임무는 6개월을 주기로 우주배경복사의 흔적을 찾아내는 것입니다. 지구로부터 약 160만km 떨어진 곳에 위치하고 있으므로 지표에 붙어있는 천체망원경과는 달리 대기의 영향을 전혀 받지 않는 위성입니다. 우주 저편에서 날아오는 희미한 신호도 감지할 수 있는 WMAP 위성이 보내온 배경복사에 의하면 그것의 절대온도absolute temperature는 2.7249K~2.7251K(섭씨 영하 270도) 정도입니다. 물질을 이루는 분자들이 취할 수 있는 최저온도인 절대온도를 기준점(영도)으로 합니다. 눈금간격을 섭씨온도와 같게 한 눈금단위를 켈빈이라 하며 K(Kelvin)로 표기합니다. 켈빈 온도는 모든 과학적 온도 측정의 기본단위로 쓰이며 섭씨온도에 273.16을 더한 값을 갖습니다.
20세기의 과학자들은 우주의 구성성분을 수소로부터 시작해 약 100종의 원소가 등장하는 주기율표periodic table of the elements로 요약했습니다. 주기율표는 현대 화학의 기초가 되었습니다. 그러나 WMAP 위성이 이 확고한 믿음을 일순간에 날려버렸습니다. WMAP 위성이 관측한 자료에 따르면 우리 눈에 보이는 물질은 우주의 총 물질과 에너지의 4%에 불과합니다. 이 4% 중 대부분이 수소hydrogen(우주전체에 존재하는 모든 물질 질량의 약 75%를 차지함)와 수소 다음으로 가벼운 헬륨helium(우주에서 수소 다음으로 풍부하며 별에 집중되어 있는데 핵융합에 의해 수소로부터 합성됨)으로 되어 있으며 무거운 원소는 0.03%밖에 되지 않습니다. 이는 우리의 우주 대부분이 우리의 눈에 보이지 않는 미지의 물질로 채워졌음을 의미합니다. 현재까지 알려진 관측 자료에 의하면 우주의 23%는 암흑물질dark matter로 이루어져 있습니다. 암흑물질은 은하의 주변을 에워싼 것으로 추정되지만 망원경으로 보이지 않으므로 직접적인 관측 자료는 없습니다. 우리의 태양계에 속하는 은하수Milky Way galaxy의 도처에 골고루 퍼져있는 암흑물질은 은하수 안에 있는 모든 별들의 질량을 합한 것보다 10배나 큰 것으로 추정됩니다. 암흑물질은 빛의 궤적locus에 변형을 일으키므로 광학적 방법을 이용해 그 존재를 간접적으로 입증할 수 있습니다.
WMAP 위성이 전송한 관측자료 중 놀라운 것은 우주의 73%가 미지의 암흑에너지dark energy로 이루어졌다는 점입니다. 암흑에너지의 개념은 1917년 아인슈타인에 의해 처음 도입되었다가 곧 폐기처분되었습니다. 아인슈타인은 이 일을 가리켜 자신이 저지른 일생일대의 실수라고 고백했습니다. 최근 들어 암흑에너지가 천문학계에 다시 등장하면서 우주전체의 운명을 결정하는 가장 큰 요인으로 급부상했습니다. 과학자들은 암흑에너지를 은하들을 서로 멀어지게 만드는 반중력antigravity의 원인으로 간주하고 있습니다. 중력에 반대되는 물질로 모든 것을 밀어내는 성질을 가지고 있습니다. 따라서 우주의 궁극적인 운명이 암흑에너지에 의해 좌우될 것입니다. 진공 속에 숨어있는 암흑에너지의 정체는 아직 규명되지 않고 있습니다. 최신 버전의 입자이론을 근거로 암흑에너지를 계산하면 10120(1 다음에 0이 120개 붙는다)의 큰 값이 얻어집니다.