암흑물질과 암흑에너지로 가득찬 우주, 보이는 것은 4%뿐.

무수히 많은 은하와 별들로 가득 채워진 우리 우주가 실은 보이지도 않고 존재조차 알 수 없는 암흑물질과 암흑에너지로 채워져 있다는 사실을 알고 계신가요? 우리가 관측할 수 있는 우주는 그저 눈에 보이는 일부분일 뿐 그 속을 채운 것은 사실 보이지도 아직 실체를 밝히지도 못한 세계들입니다. 우주를 가득 채운 암흑물질과 암흑에너지에 대해 알아보겠습니다. 

 

암흑물질과 암흑에너지는 전혀 다른 존재

처음 암흑물질(dark matter)에 대한 존재 가능성이 주장되었을 때 과학계는 물론이고 일반인들에게도 상당한 충격을 주었습니다. 우리 우주에 그 존재를 물리적으로 관측할 수 없는 무엇인가가 존재하고 그것이 실제로 우주에 미치는 영향이 엄청나다는 사실을 이해하기가 쉽지 않았습니다. 거기다가 이제는 암흑에너지까지 이야기가 확대되었습니다. 일반인들로서는 암흑에너지와 암흑물질이 어떤 차이가 있는지 알기 어렵습니다. 단순히 암흑물질이 가지는 에너지 혹은 질량이 암흑에너지가 아닌가 생각할 수도 있습니다. 그러나 암흑물질과 암흑에너지는 전혀 다른 존재입니다. 우리가 관측할 수 없다는 사실만 같을 뿐 실제 우주에 존재하는 방식과 영향 미치는 방식도 전혀 다르다고 합니다. 사실상 완전히 대척점에 있는 물질과 에너지입니다. 

먼저 암흑물질은 보이지도 않고 관측할 수도 없지만 오직 질량만을 가지고 있는 물질입니다. 암흑물질은 곧 암흑질량으로 간단히 이해할 수 있습니다. 천문학자들은 은하가 얼마나 밝은지 빛의 밝기를 모아 질량을 측정합니다. 이것이 광도질량입니다. 보통 질량-광도관계(mass–luminosity relation)라는 방정식으로 정리되는데 그냥 광도를 측정해 은하의 질량을 알아낼 수 있다고 생각하면 됩니다. 은하의 질량을 측정하는 또 하나의 방법은 은하나 천체들의 움직임, 즉 공전 등의 궤도를 관측해 어느 정도의 질량으로 인해 그러한 움직임이 발생하는지 추정하는 방식입니다. 이것이 역학적질량입니다. 논리적으로 보면 광도질량과 역학적질량은 오차가 있더라도 비슷한 수준이어야 합니다. 하지만 놀랍게도 광도질량에 비해 역학적질량이 5배 이상 높습니다. 그렇다면 눈에 보이지 않는 무엇인가가 엄청난 질량으로 별들의 움직임을 이끌고 있다는 뜻이 됩니다. 네, 바로 보이지 않는 질량이 암흑물질입니다. 예를 들어 안드로메다 은하의 별들은 너무 빠르게 궤도를 돌고 있습니다. 이 정도의 속도라면 튕겨나갔어야 하지만 여전히 안정적인 모습으로 붙잡혀 있습니다. 안드로메다 은하의 중력이 우리에게 보이는 것보다 훨씬 강하다는 뜻입니다. 역학적질량이 매우 강하다는 뜻이죠. 암흑물질이 가지는 질량이 아니고서는 설명하기 힘든 것입니다. 그리고 빛의 신기루로 불리는 중력렌즈현상(gravitational lensing)도 암흑물질이 가지는 질량의 존재를 증명하는 또 하나의 큰 증거가 됩니다. 이미 많은 과학자들은 여러 가지 방식으로 암흑물질의 존재를 증명해 내고 있는 것입니다.

 

암흑물질의 정반대 에너지, 암흑에너지

암흑물질만으로도 어려운데 새로운 또 하나의 에너지가 등장합니다. 바로 다크에너지(Dark energy), 암흑에너지가 그것입니다. 물질도 아니고 빛도 아니고 상태를 알 수 없는 에너지라는 뜻으로 암측물질과 대칭적으로 사용됩니다. 생각해 봅시다. 빅뱅 이후 우주가 끊임없이 확장되다가 그 폭발에너지가 고갈되고 난 뒤 어느 순간에는 잠깐 정적인 상태에 머물렀다가 다시 수축하게 될 것입니다. 우주의 전체 은하와 별들이 가진 질량으로 인해 이제 우주는 언제가 수축하게 될 것입니다. 더구나 우주에 25% 이상을 차지하고 있는 것으로 알려진 암흑물질의 질량까지 더한다면 우주는 식고 수축해야 정상입니다. 하지만 천체물리학자들이 발견한 우주는 끊임없이 가속팽창을 하고 있습니다. 심지어 70억 년 전보다 15%나 더 빨리 팽창하고 있다는 사실을 발견하게 됩니다. 이는 위로 던진 공이 끊임없이 풍선처럼 위로 올라가는 것과 같은 현상입니다. 이는 기존의 별들과 암흑물질의 질량을 능가하는 그 어떤 에너지가 존재한다는 방증입니다. 그래서 과학자들은 이것을 암흑에너지라 부리기 시작했습니다. 이 미지의 에너지는 암흑물질의 질량과 천체의 질량으로 인해 발생하는 인력에 반하는 척력으로 이해되고 있습니다. 마치 아인슈타인이 말한 우주상수와 비슷한 개념입니다. 한편으로는 정상우주론과 같이 정적인 우주를 유지하기 위한 힘으로 이해될 수도 있습니다. 이 암흑에너지는 은하 내의 별들의 인력에는 크게 영향 미치지 않고 은하단과 같은 큰 규모의 별의 집합체들 간에 영향 미치는 것으로 이해되고 있으며 별들과 은하를 거리를 확장시키지는 않지만 그보다 큰 은하단의 거리를 확장시키는 것으로 알려지고 있습니다. 이해하기 어렵지만 특이한 것은 암흑물질의 경우 관측할 수 없지만 질량을 가진 물질이므로 우주가 팽창하면서 그 밀도가 낮아지지만 암흑에너지는 우주의 공간이 넓어지더라도 밀도가 줄어들지 않는다는 점입니다. 마치 우주의 공간 자체가 가진 에너지인 것처럼 보인다는 것입니다. 만약 우주가 끊임없이 팽창한다면 이러한 암흑에너지의 특성은 증명되는 것이고 만약 우주가 팽창을 멈추고 수축을 시작한다면 암흑에너지 역시 밀도가 약해지는 일반적인 물질의 특성을 가진다고 생각할 수 있는 것이죠. 이 부분은 검증하기 쉽지 않은 가설들입니다.

 

우리 우주는 일반 물질 4%, 암흑물질 23%와 암흑에너지 73%로 구성

우리가 관측하는 우주의 천체들과 은하, 성간 먼지와 다양한 원소들이 우주 구성의 4%에 불과하다는 사실은 매우 충격적인 사실입니다. 심지어 우주의 일반물질 4% 중에는 10%만이 전체들이고 나머지는 성간 먼지와 수소와 헬륨 같은 기체들입니다. 우리가 관측하는 우주는 단지 우주의 몇퍼센트밖에 되지 않는 사실이 놀랍습니다. 그러나 모든 과학자들이 암흑물질이나 암흑에너지 가설에 동의하는 것은 아닙니다. 제임스웹 우주망원경과 같이 우주를 보다 멀리, 그리고 보다 자세히 관측하면서 알게 된 천체현상들을 설명하기 위한 다양한 가설일 뿐이고 개별 가설마다 찬반이 있을 수 있는 것이죠. 다만 암흑물질과 암흑에너지가 아니라면 아직 우리가 관측한 다양한 천체들의 모습을 이해할만한 설득력 있는 가설이 많지 않은 것입니다. 미지의 물질인 암흑물질과 우주의 천체현상을 설명하기 위한 미지의 암흑에너지 역시 현재로서는 그저 설득력 있는 하나의 주장일 뿐인 것입니다.