우리가 밤하늘에서 보는 별과 은하는 우주 전체의 고작 5%에 불과하다. 나머지 95%는 무엇일까? 과학이 발달했지만, 우주는 여전히 알 수 없는 ‘어둠’으로 가득 차 있다는 사실이 경이롭지 않은가. 은하를 붙잡고 있는 ‘암흑물질’과 우주를 찢어발기듯 팽창시키는 ‘암흑에너지’의 정체를 위해, 우주 팽창의 미스터리 다크매터 vs 다크에너지를 이야기합니다.
[참고자료] 과학·기술의 역사 <시라토리 케이 著>
다크매터 vs 다크에너지
【1분 순삭】핵심 요약 (1-Minute Summary)
①암흑물질 (27%)
은하가 회전할 때 찢어지지 않도록 붙잡아주는 ‘우주의 접착제’. 베라 루빈이 은하 회전 속도가 일정하다는 것을 통해 발견함.
②암흑에너지 (68%)
우주를 가속 팽창시키는 ‘미지의 척력(밀어내는 힘)’. 아인슈타인의 우주 상수가 재조명되는 계기가 됨.
③일반 물질 (5%)
별, 지구, 우리 몸 등 우리가 눈으로 보고 만질 수 있는 모든 것은 우주의 극히 일부일 뿐임.
④우주의 미래
암흑에너지의 힘으로 우주는 멈추지 않고 영원히 팽창하여 점점 더 차갑고 고독한 공간이 될 것으로 예측됨.
I.은하 회전 속도의 미스터리와 암흑물질의 발견
■ 베라 루빈, 뉴턴 역학의 모순을 찾아내다
① 1970년대 말, 미국 천문학자 베라 루빈은 나선 은하 관측 중 기이한 현상을 목격했다.
② 기존 뉴턴 역학에 따르면 질량이 집중된 은하 중심부에서 멀어질수록 별의 회전 속도는 느려져야 정상이다.
③ 그러나 안드로메다은하(M31) 관측 결과, 중심부와 가장자리 별들의 회전 속도가 거의 동일했다.
④ 이는 눈에 보이는 물질(별, 가스)의 중력만으로는 설명할 수 없는 현상이었다.
■ 보이지 않는 질량, 다크매터(Dark Matter)의 등장
① 루빈의 관측은 은하 내부에 관측 불가능한 거대한 질량이 존재함을 시사했다.
② 만약 추가적인 질량이 없다면 은하는 회전 속도를 이기지 못하고 흩어졌어야 한다.
③ 이 보이지 않는 물질을 ‘암흑물질(Dark Matter)’이라 명명했으며, 우주 전체의 약 27%를 차지하는 것으로 추정된다.
④ 암흑물질은 빛과 반응하지 않고 오직 중력으로만 그 존재를 드러내는 미지의 영역이다.
II.우주의 탄생과 인플레이션 이론
■ 빅뱅과 우주의 급격한 팽창
① 우주는 약 138억 년 전 ‘빅뱅’으로 탄생했으며, 초기에는 상상을 초월하는 초고온 상태였다.
② 탄생 직후인 10의 -36승 초 시점에 시공간이 빛보다 빠르게 팽창하는 ‘인플레이션(Inflation)’ 현상이 발생했다.
③ 이 급격한 팽창이 끝난 후 우주는 1000조 도 이상의 불덩어리가 되었고, 전자와 광자가 뒤엉켜 날아다녔다.
■ 우주의 맑게 갬과 물질의 탄생
① 팽창과 함께 온도가 내려가면서 전자가 원자핵에 잡혀 최초의 원자가 생성되었다.
② 이로 인해 빛(광자)이 방해받지 않고 직진하게 되었는데, 이를 ‘우주의 맑게 갬’이라고 표현한다.
③ 우리가 현재 관측하는 ‘우주 배경 복사’는 바로 이때 출발한 태초의 빛이다.
④ 인플레이션의 원인으로는 ‘진공 에너지’ 혹은 ‘양자 요동’ 등이 거론되지만, 명확한 메커니즘은 아직 미지수다.
III.우주 가속 팽창과 암흑에너지의 역설
■ 중력을 거스르는 척력, 다크에너지(Dark Energy)
① 우주 전체 에너지의 약 68%를 차지하는 ‘암흑에너지’는 암흑물질보다 더 큰 수수께끼다.
② 1998년 펄머터, 슈미트, 리스 연구팀은 우주의 팽창 속도가 점점 빨라지고 있다는 ‘가속 팽창’을 발견했다.
③ 중력은 서로 끌어당기는 힘(인력)이므로 우주 팽창을 늦춰야 하지만, 정체불명의 에너지가 우주를 밀어내고 있었다.
■ 아인슈타인의 실수가 위대한 예언으로
① 과거 아인슈타인은 우주가 중력에 의해 찌그러지지 않도록 ‘우주 상수’라는 개념을 도입했다가 나중에 철회하며 후회했다.
② 그러나 가속 팽창을 설명하기 위해 현대 물리학은 이 ‘우주 상수’ 개념을 다시 소환했다.
③ 암흑에너지는 아인슈타인의 우주 상수처럼 공간 자체를 밀어내는 힘으로 작용한다.
IV.우주의 미래 시나리오
■ 영원히 팽창하는 고독한 우주
① 우주의 운명은 팽창 지속, 정지, 수축(빅크런치), 순환 등 다양한 가설이 존재한다.
② 현재 관측 결과에 따르면, 강력한 암흑에너지의 힘으로 우주는 영원히 가속 팽창할 가능성이 높다.
③ 인류는 끝없이 멀어지는 은하들을 바라보며, 광활한 시공간 속에서 우주의 근원을 탐구하는 ‘우로보로스의 뱀’과 같은 존재일지 모른다.
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[참고자료]
베레출판社 <「과학·기술의 역사」를 한 권으로 통째로 알 수 있다> 시라토리 케이 著