<암흑물질>
우주의 처음 순간에 대한 설명의 부족함에도 불구하고 빅뱅의 증거가 서서히 나타났지만 곧바로 천체물리학자들은 이에 수반하는 문제점들을 발견했다.
우주 나이가 10만 년일 때 존재하는 요동이 있기 위해서는 현재 알려진 약150억년으로는 너무 짧은 시간이라는 점이다. 라대일 교수는 통계적으로 볼 때 현재의 은하까지 자라려면 최소한 100조년 정도의 세월이 흘러야 한다고 지적했다. 그러므로 은하들이 1백조 년이 아닌 150억년 내에 탄생할 수 있다는 주장은 마치 ‘정상적으로 9개월이 걸리는 아기를 단 30분 만에 태어나게 할 수 있다’고 주장하는 억지라고 설명했다.
아직도 이 문제는 명쾌하게 풀리지 않고 있는데 이를 ‘우주광역구조형성에 관한 문제(the structure formation problem)’라고 한다. 현재 우주의 나이는 천문학자들 간에 첨예한 논쟁의 대상이지만 영국 캠브리지대 닐 투록 박사는 우주의 나이가 적어도 1조년이 넘어야 빅뱅(big bang)이 계속 반복돼 일어난다고 주장했다. 이는 빅뱅의 모순점을 상당해 완화시키는데 한마디로 말해 우리가 알고 있는 빅뱅은 가장 최근에 일어난 폭발이며, 빅뱅 이후 물질은 무한한 공간으로 끝없이 퍼져나간다는 설명이다. 투록 박사는 ‘시간은 빅뱅 이전에도 있었다. 우주는 무한히 오래됐고 무한히 거대하다’고 말했다. 스타인하트 박사도 ‘지금까지의 이론 즉 빅뱅이 옳다는 증거가 없다’고 주장했다.
물론 미국 터프츠대 알렉산더 발렌킨 교수는 ‘이들의 이론은 우주의 형태를 확실하게 예측하지 않고 애매모호한 값을 제시하기 때문에 검증하기 힘들다’는 견해를 밝혔지만 우주의 나이를 100억 년 대에서 1조 또는 100조 년으로 올라가야 한다는 문제는 우주의 시원을 밝히는 문제가 얼마나 험난할지를 보여준다.
여기에서 주제를 달리하여 아인슈타인 문제를 거론한다.
일반상대성 이론의 방정식은 우주가 팽창하거나 수축하고 있다는 것을 암시했다. 이 결론에 만족하지 못한 아인슈타인은 팽창도 수축도 하지 않고 영원히 변화하지 않는 우주 모델을 만들려고 했다. 그러나 그런 우주는 물질끼리의 중력에 의해 수축하여 짜부라지고 만다. 그러므로 그는 ‘우주항(宇宙項)’을 첨가하면서 방정식을 변환시키는 우주의 모형을 제안했다.
우주항은 물질을 서로 떼어놓는 힘인 ‘반발력’을 공간이 가지게 하는 효과를 가진다. 또한 우주항의 존재는 진공에도 에너지가 존재한다는 것을 의미한다. 그 수치는 우주가 팽창해도 변화하지 않고 우주의 모든 곳에서 일정하다. 그 경우 현재의 우주 공간의 에너지 밀도는 물질의 에너지 밀도와 진공의 에너지 밀도를 합한 것이 된다.
가장 일반적인 우주 모델에서는 물질끼리 잡아당기는 인력 때문에 팽창 속도는 감속되고 우주 나이는 허블 상수의 역수의 3분의 2가 된다. 그러나 우주항을 도입한 우주 모델에서는 물질끼리 서로 잡아당기는 힘과 진공이 밀어내는 힘이 균형을 이루면서 팽창의 속도는 느려진다. 그러나 최종적으로는 진공의 척력이 우세하여 팽창속도는 가속되고 따라서 우주 나이는 허블 상수의 역수보다 길어진다. 아인슈타인은 허블에 의해 우주가 동적으로 팽창하고 있다는 것이 발견되자 ‘우주항의 도입은 인생 최대의 실수였다’고 하며 우주항을 부정했다. 말 그대로 정체를 모르는 물질을 가리킨다.
그러나 1999년 학자들은 허블 우주 망원경을 통하여 8년 간에 걸쳐 우주의 나이를 측정한 결과를 최종적으로 발표했다. 그들은 우주의 나이를 측정할 수 있는 허블 상수의 수치가 71km/s/100만 파섹(오차 10%)으로 우주의 나이는 약 120억 년이며 우주는 현재 가속도적인 팽창을 하고 있고 99%의 확신성으로 우주항이 존재한다는 것이다. 한마디로 아인슈타인의 최대 실수로 지적된 우주항이 다시 살아난 것이다.
2003년, 천문학자들은 우주에 별을 만드는 물질은 5퍼센트 정도이며 나머지는 정체불명의 암흑에너지(dark energy)가 70퍼센트, 암흑물질(Dark Matter)이 25퍼센트라고 발표했다. 보다 정교한 관측에 의거 우주를 구성하는 물질 중 우리가 알고 있는 일반 물질은 4.9%뿐이다. 암흑물질이 26.8%, 정체를 알 수 없는 암흑에너지가 68.3%를 차지한다(물질과 에너지는 상호변환).
정체도 모르는 암흑물질이 존재한다고 믿는 이유는 중력 때문이다. 망원경으로 우주를 관측해 보면 은하의 중심을 도는 별들의 속도는 일정하다. 이는 중심으로부터 멀어질수록 공전 속도가 느려지는 중력 법칙과 어긋난다. 이런 현상은 망원경에 관측되지 않는 미지의 물질(암흑물질)이 있어서 별들을 당기고 있기 때문으로 과학자들은 추정한다.
이것은 중력의 영향을 받아 수축되는 물질보다, 중력을 이겨내며 우주를 밀쳐내는 에너지가 훨씬 크므로 우주의 팽창속도는 점점 늘어났다는 결론으로 지금 우리에게 온 빛은 보다 먼 거리를 여행했다는 뜻이다. 즉 우주의 나이도 그만큼 늘어나야 하는데 이런 연구결과들을 토대로 계산된 우주의 나이는 138억년에서 141억년으로 현재 이 숫자를 우주의 기본으로 설명한다. 물론 이 숫자는 계속적인 우주 측정 기술로 변화되고 있지만 적어도 100억 년은 상회한다는 것이 기본이다. 태양계의 나이를 50억 년 정도로 볼 때 충분히 이해할 수 있는 나이다.
이와 같은 결론은 천문학자들이 멀리 있는 초신성의 후퇴 속도와 가까이에 있는 새로운 초신성의 후퇴 속도를 비교하여 우주의 팽창 속도가 점점 빨라지고 있다는 것을 발견했기 때문이다. 과거로 거슬러 올라갈수록 우주 팽창의 속도가 느려진다는 것은 우주가 현재의 크기로 될 때까지 허블 상수에서 추정되고 있는 것보다도 시간이 더 걸렸다는 뜻이다. 그런데 중력에 의해 감속되어야 할 팽창 속도가 가속되고 있다는 것은 중력에 반발하는 척력(斥力)이 있다는 것을 뜻한다.
학자들은 이 척력의 유력한 후보로 공간끼리 반발하는 힘인 진공의 에너지를 거론한다. 이것은 완전히 빈 공간으로 생각되고 있는 진공이 에너지를 갖는다는 것을 뜻한다. 바로 아인슈타인의 이론 중에서 틀렸다고 유일하게 지적된 우주항이 옳을지도 모른다는 것이다.
물론 우주항이 존재하더라도 또 하나의 큰 수수께끼가 존재한다. 그것은 우주 초기에 거대한 진공에너지가 존재하였고 그 진공에너지에 의해 가속도적으로 우주가 팽창했는데도 현재의 측정에 의하면 진공에너지의 밀도가 예상보다도 적다는 것이다. 이를 근거로 우주항의 존재가 관측적으로 확립되었다고 단정하는 것은 아직 시기상조라고 주장하는 학자들이 있는 것은 사실이다.
이 외에도 우주의 초기 단계에 관해 풀어야 할 문제들이 많이 남아있다. 일부 학자들은 우주는 시작이 없고 ‘영(zero) 시간’의 개념이 의미가 없을지도 모른다고 추정한다. 그래서 근래 시간이 의미가 없는 우주가 양자론을 사용해 기술될 수 있는 상태로부터 단순히 ‘나타났다’는 시나리오가 대두되고 있기도 하다. 이것은 우주가 플랑크 시간 이후에 비로서 일반상대성 이론에 따라 진화했다는 것을 뜻한다. 물론 이 역시 정설로 정착된 것은 아니다.
<진화하는 우주>
천문학계의 비약적인 발전은 우주 망원경 등 획기적인 기술개발에 힘입었는데 학자들은 이제 우리의 우주가 유일한 우주가 아닐지 모른다고 생각한다. 그동안 우주의 기원이라고 인간이 창조해 낸 빅뱅은 단지 무수히 많은 시작 중 하나에 불과하며 계속해서 우주가 창조되고 있을지 모른다는 것이다.
아인슈타인의 상대성이론은 시공간이 아주 작은 출발점에서 시작해 광대한 차원으로 뻗어 나갈 수 있다고 암시하며 인플레이션 이론은 우리의 우주가 탄생의 첫 순간에 어떻게 급팽창했는지를 설명하며 똑같은 현상이 언제 어디서든지 발생할 수 있음을 가정한다. 즉 우주는 그 하나하나가 우주의 씨앗인 빅뱅이라는 에너지 기포들을 뿜어내고 있는 끝없이 광활한 공간이라는 것이다.
그렇다고 이들 우주가 모두 똑같을 것이라고는 생각하지 않는다. 어떤 우주는 우리의 우주와 같이 은하들로 빛을 발하는 반면 다른 우주에는 더 많은 차원과 다른 형태의 물질이 존재할지 모른다고 설명한다. 이는 각 우주마다 다른 물리학의 법칙 즉 우주의 절대적인 법칙도 다르게 작용할지도 모른다는 것이다.
학자들이 가장 고민하는 것은 뉴턴의 만유인력 법칙이 설명한 일반적인 법칙이다. 그의 중력법칙에 의하면 우주공간 속의 무언가가 은하들을 꼭 붙들고 있으므로 별들이 뿔뿔이 흩어져 날아가지 못하게 하고 있다는 것이다. 이 보이지 않는 물질의 정체를 정확하게 파악하지 못하고 있지만 근래의 연구에 의하면 이 암흑물질이 거대한 그물망 골격을 형성하고 있다고 추정한다.
천문학자들은 이 그물망 같은 구조물 중 밀도가 가장 높은 지점에서 은하들이 형성되었고 암흑물질은 자신의 중력으로 은하들을 계속 제자리에 묶어 둔다고 믿는다. 다행하게도 그 거대한 존재는 은하의 변두리에서 빠르게 움직이는 별들을 관측함으로써 감지할 수 있다. 별들이 은하 내의 별이나 가스와 같은 보이는 물질의 중력 작용만을 받는다면 그렇게 빠른 속도로 움직일 수 없기 때문이다.
아인슈타인의 일반상대성이론은 이 보이지 않는 물질이 어떻게 분포되어 있는지를 예상할 수 있게 만든다. 암흑물질의 중력이 시공을 주름지게 만들고 지나가는 광선을 휘게 만드는 것이다. 이런 계산을 통해 암흑물질이 우주 총질량의 90퍼센트를 구성하고 있을지도 모른다는 사실이 밝혀졌다.
아인슈타인 당대에 천문학자들은 우주를 공간 속에 영원히 고정돼 있는 별들의 거대한 집합체로 여겼다. 아인슈타인도 이 불변의 우주를 인정했다.
그러나 정적인 우주라도 자체 중력으로 결국에는 붕괴할 것으로 생각했기 때문에 그는 일반상대성이론의 방정식에 ‘우주상수’라는 항을 임의로 추가했다. 물체들은 중력이 서로 끌어당기지만 일종의 반(反) 중력이 물체들을 서로 밀어낸다는 것이다.
그런데 허블의 측정으로부터 우주가 정지해 있는 것이 아님이 입증되었다. 따라서 은하들을 고정시켜 두기 위한 우주상수도 필요 없게 되었다. 아인슈타인은 1931년 이를 다음과 같이 인정했다.
‘멀리 있는 성운들의 적색편이는 내 오래된 건축물을 단번에 산산조각 내 버렸다. 내 일생 최대의 실수이다.’
그런 추가적인 요소가 있든 없든 팽창하는 우주에 대한 기본틀은 아인슈타인이 만든 것이다. 1980년 앨런 구스는 빅뱅이론을 더욱 발전시켜 아인슈타인의 탄력적인 시공간에 새로운 입자물리학 개념을 추가시켰다. 그는 우주 창조의 첫 1조 분의 1조 분의 1초 동안, 초기 아기 우주가 좀 더 안정적인 성장 단계로 접어들기 이전에 급격한 팽창 즉 인플레이션의 순간을 겪었을지도 모른다고 생각했다.
이들은 마이크로파를 정밀 측정함으로써 인플레이션이 우주 내 물질과 에너지를 고르게 만들고 우주의 전체적인 시공간 곡률을 평평하게 만드는데 기여했을 것으로 추정한다. 그러나 근래 학자들은 인플레이션이 순식간에 일어난 단 한 번의 사건은 아니었다고 생각한다. 창조가 계속 진행되는 과정 속에 시공간은 어디서든지 또 언제든지 새로운 우주들로 팽창될 수 있다는 것이다. 즉 빅뱅이 끝없이 일어날 수 있다는 뜻이다.
1930년대에 인도 태생의 수브라마니안 찬드라세카르는 어느 한 별에 특수상대성이론과 양자역학을 적용시켰다. 그는 별이 특정 질량을 초과하면 그 별은 생애 마지막 단계에서 우리의 태양이 그럴 것처럼, 백색왜성으로 변하지는 않을 것이라고 발표했다. 대신 중력이 그 별을 하나의 점으로 압착시킨다는 것이다.
그의 논지는 거의 상상을 불허할 만큼 기이한 별들의 존재를 예상한다. 거대한 별이 폭발해서 초신성이 되는 격동의 과정 속에서 불과 20킬로미터 크기의 중성자 별이 태어난다. 중성자 별의 밀도는 이 세상 모든 자동차를 엄지손가락만한 크기 안에 집어넣을 수 있다. 그 다음으로는 어떠한 것도 빠져나올 수 없을 깊은 구멍을 시공 속에 만들어 놓을 정도로 훨씬 더 큰 별 또는 성단이 붕괴하면서 형성되는 특이한 물체가 있다. 블랙홀이다.
아인슈타인은 블랙홀이란 이름이 붙은 이 물체가 존재할 수 없음을 입증하려고 노력했다. 그는 블랙홀의 중심에서 물리학 법칙이 파괴되는 지점 즉 부피가 없고 밀도가 무한한 점이 나타나는 것을 꺼려했다.
그러나 천문학자들은 그가 바라지 않는 바로 그것을 찾아냈다. 1963년 퀘이사가 처음으로 확인되었는데 그것은 중심부에서 태양에너지의 수조 배에 이르는 에너지를 방출한다. 1967년에는 우리 은하에서 펄서가 발견되었는데 펄서는 빠르게 회전하면서 짧은 주기의 전파를 방사한다.
그런데 학자들은 하늘 주변의 여러 지점에서 흘러나오는 강력한 X선과 감마선을 탐지해 냈다. 이 수수께끼 같은 새로운 신호들은 모두 중성자별과 블랙홀이라는 붕괴된 천체들의 존재를 확실하게 증명한다. 즉 이 천체들의 강한 중력과 빠른 회전이 이들을 막대한 에너지를 내뿜는 분사체로 만들어 놓는 것이다.
이들의 발견이야말로 한때 정적이라고 여겨졌던 우주에 대한 개념을 바꾸게 만들었다. 우주는 이제 상대성이론의 맥락에서만 이해될 수 있는 즉 거대한 에너지원이 가득한 아인슈타인의 우주로 변형된 것이다.
이제 이론물리학자들은 아인슈타인이 폐기시킨 우주상수를 다시 꺼내기 시작했다. 그의 최대 실수가 최대 성공일지도 모른다는 설명이다.
천문학자들은 중력이 서서히 우주의 팽창 속도를 늦추고 있다고 추정했었다. 그런데 1990년대 후반 폭발이 일어나는 먼 곳의 별들까지의 거리를 측정하던 학자들은 그와 정반대되는 현상을 발견했다. 바다 위에 부유물들이 파도에 의해 멀리 흩어져 가듯 이 초신성들은 시공이 점점 더 빠르게 팽창하고 있었던 것이다.
아인슈타인에게 우주상수는 우주를 정지 상태로 만들기 위한 수단이었다. 그러나 서로 밀어내는 힘인 척력 효과(현재는 암흑에너지라고 불림)가 충분히 크다면 우주 팽창을 가속화 시킬 수 있다는 것이다.
중력파도 마찬가지이다. 학자들은 중력파를 감지하기 위해 워싱턴과 루이지애나 주, 이탈리아 피사 남쪽에 세 대의 거대한 감지장치를 설치했다. 각 장치에서 레이저 광선은 수 킬로미터 길이의 파이프를 오르내리며 만약 중력파가 지나간다면 생길 것으로 예상되는 시공의 근소한 확장과 수축을 측정하려고 한다. 이탈리아의 아달베르토 지아초토 박사는 두 중성자별이나 블랙홀들의 대충돌 또는 초신성 같은 격렬한 사건이 시공에 파문을 일으킬 수 있는데 그 유일한 신호가 중력파라고 추정한다.
<영원히 팽창하는 우주>
천문학계의 고민은 천문과학 즉 천체 검증 장비가 발전할수록 일반 상식에 동떨어지는 내용이 계속 제기된다는 점이다. 아직 빅뱅에 대한 완전한 결론이 나오지는 않았지만 근래 빅뱅 이후 팽창을 거듭해온 우주가 앞으로도 영원히 팽창을 계속할 것이란 연구 결과가 나왔다. 미국 NASA의 제트추진연구소는 허블우주망원경으로 암흑에너지의 분포 양상을 분석하여 이같은 결론을 내렸다고 발표했다.
그동안 천문학계의 화두는 빅뱅으로 시작된 우주 팽창이 계속될 것인지, 어느 순간에 멈출 것인지, 이후 수축할 것인지 3가지 경우의 수에 초점을 맞추고 있었다.
그 핵심 변수가 1998년에 발견된 암흑에너지다.
암흑에너지는 중력과 반대로 물질들을 밀어내 우주팽창을 가속화시키는 척력으로 인식되며 아직 정확한 정체가 밝혀진 것은 아니다. 그러나 다소 숫자에 차이가 있기는 하지만 대체로 우주는 암흑에너지 72%, 암흑물질 24%로 압도적인 비중을 차지하고 있으며, 우리가 관찰할 수 있는 물질은 4%로 설명된다.
학자들은 상상할 수 없는 먼 별에서 나온 빛이 지구로 도달하기 전에 ‘아벨1689’로 명명된 거대한 은하성단 주변에서 굴절되는 현상을 관찰했다. 은하성단이 마치 돋보기 형태의 중력렌즈처럼 작용하면서 별빛을 굴절시키고 은하의 이미지도 왜곡시키는 것이다.
이는 별까지의 거리, 아벨1689성단의 질량, 암흑에너지의 분포 등 3가지 요인으로 설명된다. 연구팀은 이 중 앞의 두 가지 변수를 대형 망원경으로 측정하여 아벨1689성단 주변의 암흑에너지의 물리량과 분포를 정밀하게 계산했다.
결론은 팽창지속설이다. 에릭 줄로 박사는 이번 발견은 우주의 운명이 어떻게 될 것인지를 최종적으로 증명한 것이라고 자평했다. 그런데 우주가 영원히 팽창하면 절대온도 0도(섭씨 -273도)에 가까워지면서 모든 것이 죽은 황량한 공간이 된다고 설명한다. 가장 껄끄러운 우주가 된다는 설명이지만 다소 위안은 천문학계의 발표는 정론이 아니라는 점이다. 앞으로 계속 바뀔 수 있다는 이야기로 인간들이 이를 확정하는데는 많은 시간이 필요하다는 설명이다.
'물리 노벨상이 만든 세상 > 우주' 카테고리의 다른 글
| 블랙홀(1) (0) | 2020.09.19 |
|---|---|
| 암흑물질(2) (0) | 2020.09.19 |
| 우주의 설계자와 스티븐 호킹(3) (0) | 2020.09.18 |
| 우주의 설계자와 스티븐 호킹(2) (0) | 2020.09.18 |
| 우주의 설계자와 스티븐 호킹(1) (0) | 2020.09.18 |