<우주의 팽창>
2011년 노벨물리학상 수상자는 다소 놀라운 사람들이다. 이들은 SN1a라 불리는 초신성을 연구한 학자들이다. 초신성이라면 우주의 기본을 다루는 학자로 사울 펄무터(Saul Perlmutter), 브라이언 슈미트(Brian Schmidt) 그리고 아담 리스(Adam Riess)다.
이들의 공적은 한마디로 우주의 가속팽창이 사실이라는 것을 밝힌 것으로 이들의 수상을 세계 학자들이 놀랍게 받아들인 것은 그동안 우주론 연구로 노벨물리학상을 받은 경우는 매우 희귀하기 때문이다.
첫째는 1978년 우주배경복사로 아노 펜지어스(Arno Penzias)와 로버트 윌슨(Robert Wilson)이 수상했고,
둘째는 2006년 우주배경복사의 흑체복사스펙트럼과 약한 비등방을 발견한 업적으로 존 매더(John Mather)와
조지 스무트(George Smoot)가 수상했다.
이들이 수상한 우주배경복사의 등방성은 빅뱅이론을 입증할 수 있는 증거로 제시된다.
1980년대 우주론자들은 이론우주모형의 마지막 난제였던 인과성과 균일성 사이의 비일관성을 인플레이션이라는 다소 놀라운 아이디어로 해결했다. 이 우주모형에서 우주론자들은 우주의 팽창이 점점 감속될 것이라고 생각했다. 그러나 이번에 수상한 두 초신성 관측 연구는 전혀 반대의 일이 벌어지고 있음을 보여주었다.
초신성은 마지막 단계에서 짧은 시간에 거대한 에너지를 내뿜으며 폭발하는 별이다.
SN1a 유형의 초신성은 백색왜성이 근접한 적색거성의 물질을 빨아들여 생긴다. 물질을 흡수하던 백색왜성의 질량이 태양의 1.4배에 이르는 순간 폭발이 일어나는데 초신성이 내뿜는 빛의 밝기는 폭발 당시 질량에 비례하므로 SN1a 유형의 초신성들은 밝기가 거의 같다.
밝기가 똑같은 빛이 우주 여기저기에 있다면 우리 눈에 보이는 빛의 밝기로 각 빛까지의 거리를 계산할 수 있다. 즉 밝기를 이미 알고 있는 초신성을 관측하면 그곳까지의 거리를 알 수 있다. 그래서 SN1a형의 초신성을 ‘표준촛불(Standard Candle)’이라고도 부른다.
사울 펄무터는 1998년까지 40여 개의 SN1a 초신성을 관측했다. 이들은 10^19km보다 멀리 떨어진 초신성들에 집중했다. 브라이언 슈미트과 아담 리스의 팀은 가까운 거리에서 먼 거리까지 비교적 고른 50여 개의 초신성을 관측했다.
2000년 미국 캘리포니아공대의 션 캐롤 박사는 우주상수의 문제점에 대해 지적했다.
1998년 발견된 우주의 가속팽창을 진공에너지의 크기로 환산하면 대략 10^-47GeV4이다. 한편 양자역학과 같은 이론으로 진공에너지를 계산하면 그 크기는 10^74GeV4다. 관측과 이론 사이의 간극이 무려 약 10^120배나 차이가 난다.
진공에너지가 커지면 관측 가능한 우주의 크기는 작아진다. 1940년대 오스트리아의 이론물리학자 볼프강 파울리(Wolfgang Paul)는 이론적인 양만큼 진공에너지가 있다면 우리가 보는 우주의 크기는 지구와 달 사이의 거리보다도 작아야 한다고 지적했다.
이런 문제를 해결하기 위해 우주론자들이 도입한 것이 암흑에너지다.
우주의 가속팽창이 껄끄러운 것은 우리가 알고 있는 과학으로는 설명할 길이 없기 때문이다. 우주 팽창이 분명하다면 이에 충분한 이유가 있어야 하므로 첫째로 제시된 것이 우주상수 또는 미지의 암흑에너지를 도입하는 것이다. 두 번째는 미지의 물질을 도입하는 대신 아인슈타인의 중력을 거시적 공간에서 수정하는 것이다. 세 번째 방법은 우주표준모형이 기반하고 있는 원리 중에서 우주의 균일성을 부정하는 것이다.
세 가지 해석 중에서 암흑에너지를 도입하여 우주의 가속팽창을 설명하는 것이 비교적 무난하다. 흔히 우주가속팽창의 발견을 암흑에너지의 발견이라고도 하는 이유다.
이런 가설에 기반한 불완전한 이론을 검증할 수 있는 유일한 방법은 엄밀한 관측이다.
학자들은 2006년 우주가속팽창의 원인을 규명하기 위한 당면 과제를 도출했다.
첫 번째는 초신성 이외의 다른 방법으로도 우주의 가속팽창을 관측할 수 있어야 한다는 것이다. 두 번째는 최소한 두 가지 이상의 다른 관측 방법을 사용해 정확도를 높여야 하며 마지막으로 우리가 모르는 새로운 물질을 도입해야 하는지 아니면 아인슈타인의 중력을 거시적으로 수정해야 하는지 결정해야 한다는 것이다.
초신성에 대한 연구로 천문학자들은 많은 것은 알려주고 있다.
우선 우주가 멈춰있는 것이 아니라 계속 가속 팽창 중인데 그 속도는 초기 우주팽창 관측을 통해 67.8㎞/s/Mpc이 될 것으로 예측돼왔지만 실제로는 이보다 9% 빠른 74㎞/s/Mpc라는 것이다. 이는 허블 상수를 교정해야한다는 뜻으로 은하가 지구에서 330만 광년 멀어질 때마다 초당 74㎞씩 더 빠르게 팽창하고 있다는 의미다.
이런 결과는 바로 2011년 노벨물리학상을 받은 애덤 리스 박사가 허블 우주망원경을 이용한 것이다. 허블상수는 그동안 정확성이 담보되지 않았다고 계속 지적되었지만 이번 발표는 오류일 가능성을 적어도 3천분의 1에서 10만분의 1로 줄였다고 장담한다. 즉 리스 박사는 그동안 허블 상수의 오류가 2001년 10%에 달했으나 2009년 5%로 줄어들었으며 2019년에는 1.9%까지 좁혀졌다고 말했다. 결론은 우주가 정말로 빨리 팽창하고 있다는 것이다.
초신성의 노벨상 수상에 대해 많은 사람들이 의아해한 것은 초신성이 대체 무엇이길래 그토록 어렵다는 노벨상을 받을 수 있었느냐이다.
그동안 학자들은 우주에 존재하는 대부분의 물질은 눈에 보이지 않는 소위 ‘어두운 물질(dark matter)'로 이루어져 있다고 생각하지만 어디에 존재하는지는 아무도 정확하게 알수 없었다. 그런데 현대의 과학 기술을 감안하면 그들이 존재하는 것은 사실인데 현재까지의 측정기술로는 우주에 보이는 우주는 전체 질량의 4〜5% 정도에 불과하다는 것이다.
이 말은 보이지 않는 물질이 현재 우리가 생각하고 있는 물질과 전혀 다른 물질일 가능성이 높다는 뜻이다. 그런데 현대의 과학은 어두운 물질이 어디에 있든지, 어두운 물질이 공간을 구부러뜨려 빛의 경로를 휘게 한다면 그것을 관측하여 그 전체의 질량을 정확하게 추적할 수 있다. 즉 우주의 질량을 정확하게 측정할 수 있다면 우주의 미래를 예측할 수 있다는 뜻이다. 우주가 팽창함에 따라 어두운 물질의 전체 양이 팽창에 결정적인 역할을 하기 때문이다.
그렇다면 인간의 궁극적인 의문 즉 우주의 미래에 대한 3가지 가능성으로 제시되는 우주가 영원히 팽창할지, 평형에 도달할지 아니면 그 자체로 다시 수축하는 빅크런치(Big Crunch)가 일어나는 가이다. 초신성이 그 단초를 만들어줄지 모른다는 것이다.
우주 과학은 그야말로 상상하지 못할 정도로 발전해오고 있다.
인간들은 시간과 공간을 집어삼키는 블랙홀을 발견했으며 작은 원자들에서 물질들과 모든 힘들을 통일시키는 초끈이론까지 전개했다. 그런데 이 모든 것이 서곡에 불과하다는 것을 초신성과 같은 우주 현상을 부단히 연구하면 보다 정확하게 근원으로 갈 수 있다고 생각하기 때문이다.
천문학자들의 고민은 여러 가지이지만 초신성의 폭발은 우주에서도 만만치 않은 일이다. 그러므로 초신성이 지구와 가까운 곳에서 폭발했다면 어떻게 되는가라는 질문이 제기되었다.
태양계에서 가장 가까운 별은 4.3광년 떨어진 알파 센타우루스별인데 만약 그 별에서 폭발이 일어나면 우리에 어떤 영향이 미치느냐 이다.
그런데 빌 브라이슨 박사는 많은 사람들이 하늘에서 커다란 통이 쓰러지는 것과 같은 멋진 장관을 볼 수 있을 것이라고 생각하기 쉽지만 천만의 말씀이라고 설명했다. 센타우루스 별이 폭발했다는 것 자체가 4.3광년이 지나서 우리에게 나타나므로 지구에서 센타우루스의 폭발 사실을 아는 순간 즉 파괴력도 빛의 속도로 전해지므로 태양계의 모든 것은 사라진다는 것이다.
다행한 것은 태양계에 그런 일은 일어나지 않는다는 것이다.
우선 초신성 폭발이 지구의 생명체를 직접 죽일 수 있게 하기 위해서는 적어도 10광년 이내에서 일어나야 한다. 또한 초신성 폭발이 있기 위해서는 우선 우리의 태양보다 10∼20배 무거워야하는데 그런 별이 10광년 내의 우주에 존재하지 않는다는 점이다.
학자들은 초신성 폭발의 후보로 오리온 자리에 있는 베텔기우스를 꼽고 있는데 이 별은 우리로부터 무려 5만 광년이나 떨어져있다. 천문학자들이 공연한 고민을 했다고 생각하겠지만 그러한 고민을 제기한다는 자체가 인간의 능력이라 볼 수 있다.
2011년 노벨상을 받은 사울 펄무터 박사는 미국 일리노이주 섐페인어배나의 독일계 유대인으로 1986년 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스에서 물리학 박사학위를 취득하였다. 이후 캘리포니아대학교 버클리캠퍼스 물리학과 교수가 되었고, 초신성 관찰을 계속 수행했다.
브라이언 슈미트 박사는 하버드대학교에서 애덤 리스 박사와 함께 사울 펄뮤터와 같은 시기에 독자적으로 초신성(supernova) 관찰을 통하여 우주의 가속도 팽창을 연구했다. 그들의 연구가 인간들에게 얼마나 많은 것을 알려주는지 노벨상 <수상 추천문>으로도 알 수 있다. 전문을 게재한다.
‘전하, 그리고 신사 숙녀 여러분
덴마크의 과학자이자 시인이며 디자이너인 피트 하인의 짧은 시 「Nothing is indispensable(쓸모 없는 것은 없다)」를 인용하며 시작해보겠습니다. 이 시는 온 우주에 과대망상을 경계하라는 의미를 담고 있습니다.
그들이 말하는 것처럼 우주가
거대할지는 몰라도
애초에 존재하지 않았다면
잃어버릴 것도 없을 것이거늘
아마 우주가 존재하지 않았다면 단언컨대 오늘 우리가 여기에 앉아 있지도 않았을 것입니다. 인간은 행성이나 별, 은하와 마찬가지로 우주의 일부분일 뿐입니다. 우리 몸 속에 있는 모든 세포의 구성단위들, 이를테면 탄소, 산소, 그 외의 원자들은 100억년 전 은하수에서 폭발한 오래된 별 속에서 형성됐으며 태양계가 생겨나기 훨씬 오래 전 그 요소들이 합쳐져 행성을 이루었습니다. 은하, 별 그리고 행성은 우리가 그러하듯 똑같은 자연적 힘, 특히 중력에 의해 영향을 받으며 이 중력은 행성의 궤도를 결정하고 별의 수명 주기에 영향을 줍니다. 물론 우리의 발이 땅을 딛고 있게 해주는 원인이기도 합니다. 우리 자신을 이해하기 위해서는 우주를 이해하려고 노력하는 것이 마땅할 것입니다.
올해의 노벨 물리학상은 별의 폭발과 중력, 다시 말해 전 우주에 관한 연구에 대해 수여하게 됩니다. 망원경으로 먼 은하를 관찰하던 거의 100년 전의 과학자들은 우주가 점점 커지고 있다는 사실을 발견했습니다. 오븐에서 건포도 케이크가 부풀어 오를 때 건포도 사이 사이가 점점 벌어지는 것처럼 은하들 간의 거리가 계속해서 늘어나고 있습니다. 역으로 생각해보면 이러한 팽창이 140억 년 전부터 시작되었음을 알 수 있습니다.
영국의 천체물리학자 프레드 호일이 빅뱅이라 일컬었던 원시 폭발 말입니다. 과거 50억년 간 우리 태양계가 형성된 이후로 우주는 그 크기가 두 배에 달했고 계속해서 팽창하고 있습니다. 하지만 우주의 모든 물질은 중력 때문에 다른 물질에 서로 달라붙습니다. 은하 간의 거리는 영원히 빠른 속도로 증가할 수 없고 그 팽창은 결국 느려질 수밖에 없는데 우주가 1입방 미터에 6개 이상의 원자를 포함하게 되면 이 팽창은 멈춰질 것으로 계산할 수 있습니다. 우주는 줄어들기 시작했고 결국 빅뱅의 반대 상황인 빅 크런치, 즉 우주 대수축에 이르게 될 것입니다. 이것이 과연 우주의 운명일까요?
이 문제에 답하기 위해선 우주의 팽창 속도가 시간의 경과에 따라 변화되고 있는지를 연구할 필요가 있습니다. 다행스럽게도 우리는 “타임 머신”을 이용할 수 있습니다. 멀리 있는 별에서 발원하여 망원경에 와 닿는 빛은 수백만, 심지어 수십억 년 동안 우주 공간을 가로 질러 오다가 서서히 적색으로 변합니다. 우주 공간 자체가 확장되고 있기 때문입니다. 아인슈타인의 일반 상대성 원리에 의해 허용된 팽창하는 우주에 대한 모델을 사용하여 여러 다른 대상에 대해 측정된 적색편이를 비교해보면 실제 우주를 설명할 수 있는 모델을 발견할 수 있을 것입니다. 이 적색편이는 거리로서 해석될 수 있지만 이러한 해석은 이를테면 방사량이나 물질 같은 다양한 형태의 에너지 간의 균형에 대한 모델에서의 여러 가지 가정에 따라 달라집니다. 이러한 모델 기반 거리를 동일한 객체에 대해 수행된 또 다른 독립적인 거리 측정치와 비교할 수 있다면 우주에서의 에너지 균형을 가늠할 수 있을 것입니다. 하지만 그러기 위해선 어마어마한 거리를 가로지르는 수십억 광년 떨어진 물체를 육안으로 볼 수 있어야 한다는 난점이 있습니다.
오늘 노벨 물리학상의 영예를 안게 된 과학자들은 멀리 떨어진 별의 폭발, 즉 초신성에 대해 연구했습니다. 이러한 사건은 어마어마한 양의 에너지를 방출합니다. 2-3주간에 걸쳐 하나의 초신성은 한 은하에 있는 수천억 개의 별들보다 더 많은 빛을 내보냅니다. 별들은 다양한 방법으로 산산조각이 나지만, 몇몇 특별한 경우에는 항상 동일한 양의 빛을 방사한다고 합니다. 이러한 폭발은 별빛을 유심히 관찰하면 인식할 수 있는데, 방사되는 빛의 양은 항상 동일하기 때문에 빛의 강도에 따라 그 거리가 결정됩니다. 즉, 초신성은 거리가 멀수록 더 희미하게 보입니다.
하지만 우주는 광대하며 바로 그러한 초신성을 발견하는 것이 우리 과학자들에게 도전과제가 아닐 수 없습니다. 오늘의 수상자들과 그 연구팀은 디지털 기술과 새롭게 고안된 효율적인 방법을 사용하여 반복적으로 하늘의 조각조각을 관찰하고 수천 개의 이미지를 비교했습니다. 수십 개의 초신성이 발견되었고 세계 최대 망원경을 이용해 초신성의 유형과 밝기가 측정됐으며 적색편이에 의해 그 거리가 가늠되었습니다.
우주의 팽창 속도가 점점 느려졌다면 초신성은 예상했던 것보다 훨씬 희미해 보였을 것입니다. 하지만 실제로 우주는 점점 더 빠른 속도로 팽창하고 있습니다. 과연 무엇이 우주의 팽창속도를 높이고 있을까요? 암흑 에너지라는 특별한 형태의 에너지 때문입니다. 이 에너지가 우주를 밖으로 밀어냅니다. 우주 상수라는 유사한 형태의 에너지가 일찍이 1917년 아인슈타인에 의해 논의되었다가 후에 그의 이론에서 누락되었습니다. 암흑 에너지는 우주 전체 에너지의 73%를 차지하며, 이는 지난 10년간 은하가 광대한 거리에 걸쳐 분산됐다는 사실과 우주배경복사에 대한 연구로 확인되었습니다.
초신성 연구로 팽창이 가속화된다는 발견은 예상 밖의 극적인 방식으로 우주에 대한 우리의 생각을 바꿔놓았습니다. 우리는 주로 우리가 알고 있는 평범한 요소로 구성된 우주에 살고 있다는 사실을 알게 되었습니다. 이제 전세계 과학자들은 이 암흑 에너지를 철저히 파헤쳐 그 실체를 밝혀야 하는 과제를 떠안고 있습니다. 피트 하인의 모토를 잠깐 소개해보겠습니다.
문제는 공략하여 해결하지 않으면 반격으로서 그 심각성을 입증할 것이다.
펄뮤터 교수님, 슈미트 교수님, 리스 교수님
스웨덴 왕립과학원은 먼 초신성을 관찰하여 우주의 팽창이 가속화되고 있다는 사실을 발견해 낸 공로를 인정하여 노벨 물리학상을 수여하기로 결정했습니다. 스웨덴 왕립과학원을 대표하여 깊은 존경과 찬사를 보냅니다. 이제 전하께 나아가 노벨상을 수상하시겠습니다.
참고문헌 :
「[물리산책] 우주배경복사 빅뱅이론의 검증」, 송영선, 네이버캐스트, 2011.11.08
「우주팽창 속도 예상치보다 9% 빨라」, 연합뉴스, 2019.04.29.
『사이언스 오딧세이』, 찰스 플라워스. 가람기획, 1998
『거의 모든 것의 역사』, 빌 브라이슨, 까치, 2005
『당신에게 노벨상을 수여합니다, 노벨물리학상』, 노벨 재단, 바다출판사, 2014
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