암흑 물질(Dark matter) 존재 처음으로 밝혀낸 물리학계 거장

남성 중심주의 과학계에서 시련 극복하고 과학자 입지 다져

 

 

 

예수 탄생을 축하하는 지난 해 크리스마스에 미국 뉴저지주 요양원에서 88세 할머니가 가족들이 지켜보는 가운데 노환으로 세상을 떠났습니다. 옆집 할머니처럼 자상하고 온화하게 생긴 할머니는 사실 현대 천체물리학계의 가장 중요한 발견 중 하나를 업적으로 남긴 여성 물리학자 베라 루빈(Vera Cooper Rubin, 1928-2016)이었습니다. 그는 남성 중심의 과학계에서 눈에 보이지 않는 성차별을 스스로 극복해고 후배 여성 과학자들을 이끌었습니다. 무엇보다 아직도 그 정체가 정확히 밝혀지지 않은 현대 천체 물리학의 가장 핫한 이슈 중 하나인 “암흑물질(Dark matter)”의 존재를 처음으로 밝혀낸 현대 천체 물리학계 거장이었습니다.

 

1928년 미국 필라델피아 유대계 가정에서 태어난 루빈 박사는 가족이 워싱턴으로 이사한 후, 자신의 방안에서 마분지를 말아서 만든 망원경을 통해 별들을 바라보며 천체물리학자의 꿈을 키웠다고 회상했습니다. 이후 뉴욕주의 배서대(Vassar College)에서 천문학 학부를 졸업한 후, 프린스턴 대학 천문학 대학원 프로그램에 지원했으나, 1975년까지 여성을 한번도 받아들이지 않았던 남성 중심의 프린스턴 대학으로부터 입학은 커녕 대학원 입학 카탈로그 조차 허락되지 않았었습니다. 프린스턴을 대신해 코넬 대학교에 입학한 그는 이곳에서 당대 최고의 물리학자인 리차드 파인만(Richard Feynman), 한스 베이드(Hans Bethe) 교수의 사사를 받으며, 허블 망원경으로 관측된 은하계의 움직임들에 대해 연구를 시작했습니다. 이후 존스 홉킨스 대학교에서 연구원으로 일을 시작한 남편의 동료인 랠프 애셔 앨퍼(Ralph Asher Alpher)라는 천문학자 추천으로 조지 워싱턴 대학교(George Washington University)의 조지 가모프(George Gamow)를 지도교수로 조지타운 대학교(Georgetown University)에서 천문학 박사학위를 받습니다.

 

이후 카네기 연구소(Carnegie Institution)에서 연구활동을 시작한 루빈 박사는 1970년대 중반 천문학계의 지각변동을 알리는 중요한 연구발표를 합니다. 갤럭시의 회전 속도가 이론적 계산에 의해 예상된 값에 비해 훨씬 빠르다는 것입니다. 회전 속도가 예상값보다 이렇게 빠르다는 것은 두가지 가능한 결론을 도출할 수 있습니다. 하나는 '중심부 질량값에 따라 회전의 속도가 결정된다'는 중력 법칙 자체가 은하의 움직임에는 적용이 안될 수 있다는 것과, 또 다른 하나는 '우리가 알고 있는 것보다 더 큰 질량이 실제로 우주에 존재한다는 것'입니다. 전자의 경우, 당시에 우주의 가장 근본적인 물리법칙이라고 여겨지던 뉴튼의 만유인력 법칙 자체를 부정하는 것이기 때문에, 루빈 박사는 두번째의 가능성, 즉 우주에는 우리가 알고 있는 것보다 훨씬 더 많은 미지의 질량이 분포하고 있다고 봐야한다는 결론을 내렸습니다. 그리고 이 미스테리 질량을 암흑 물질(Dark matter)라고 불렀습니다. 물론 우주 밖의 상황을 이해하기 위해서는 뉴턴의 역학을 그대로 적용하는 것이 옳지 않다라는 첫번째 결론을 내린 과학자들도 있었습니다. 이들은 그들 나름대로 ‘수정뉴턴역학’이라는 것을 발표했지만, 과학계에서 크게 인정받지는 못하는 이론입니다. 암흑이라는 이름때문에 많은 분들이 암흑 물질은 빛을 전혀 내지 못하기 때문에 지구에서 관측할 수가 없는 검은 덩어리 정도로 생각하기 쉽습니다. 그러나 ‘암흑’이라는 말은 ‘관측할 수 없는’ 이라는 의미를 부여하기 위해 사용된 이름일 뿐, 암흑 물질이 어떤 물질인지는 아직까지도 정확히 밝혀지지 않은 수수께끼 중의 하나입니다.

 

이렇게 암흑 물질이라는 개념 도입으로 은하의 회전속도에 대한 설명은 가능해졌지만, 암흑 물질에 대한 설명이 우주에 대한 수수께끼를 완전히 해결하지는 못합니다. 왜냐하면 암흑물질의 존재는 관측이 가능한 질량 외에 더 많은 질량이 있어야 한다는 것을 의미하며 이는 그 질량들 간의 인력(attractive force)에 의해 우주가 수축하고 있다라는 결론이 나와야 하는데 실적인 관측 결과에 따르면 우주는 사실 팽창하고 있기 때문입니다. 이는 암흑 물질 이외에도 우주의 팽창을 초래하는 무언가 또 다른 물리적 힘이 있을 수 밖에 없다는 결론에 도달하게 되는 것입니다. 이러한 문제점을 해결하고자 우주에 분포한 질량들 간의 인력에 의한 수축을 이겨내고 반대로 팽창을 하게 만드는 에너지원인 암흑 에너지(Dark energy)가 존재한다고 과학자들은 가설을 세우게 되었습니다.

 

실제 이론적인 계산을 해보면, 우주에 분포하고 있는 관측 가능한 물질들은 약 4.9%, 암흑 물질이 그의 약 5배에 해당하는 26.8%를 차지하고 그 나머지는 전혀 검출되거나 그 존재 증거가 밝혀지지 않은 것입니다. 약 68%가 넘는 이 부분이 바로 암흑 에너지의 존재를 뒷받침하는 증거라고 천문학자들은 받아들이고 있습니다. 결론적으로, 우리들이 보기에는 태양계 저 너머까지 관측이 가능하고, 지구와 비슷한 환경을 갖고 있을 것으로 추정되는 행성들을 발견하고 있는 엄청나게 발달된 우리의 과학 기술로 현재까지 우리가 알아낸 것들은 이 우주의 약 5%조차 되지 않는 보잘 것 없는 것들이라는 것입니다. 암흑 물질과 암흑 에너지가 각각 우주의 수축과 팽창의 성질과 관계가 있기에 다른 두 가지로 보고 있지만, 이들이 어떤 메카니즘에 의해 그런 물리적 현상들을 가능케 하는지, 혹시 하나의 동일한 체계가 두가지 다른 현상을 만들어 내는 것인지, 아니면 우리가 현재 암흑물질, 암흑에너지라고 통칭하는 그 무엇인가 안에 서로 다른 성질의 다른 체계가 존재하는지 우리는 아직 아무것도 모르고 있는 것입니다.

 

이러한 무궁무진한 수수께끼의 문고리를 찾아낸 루빈 박사이기에 그동안 노벨 물리학상 후보로 자주 거론되었지만, 끝내 노벨상을 수상하지 못하고 생을 마감했습니다. 이에 대해 뉴욕 타임즈는 남성 중심의 과학계와 노벨위원회의 차별적 인식때문에 그녀가 노벨상을 수상하지 못한 것이라고 꼬집기도 했습니다. 앞으로는 더 많은 여성 과학자들이 과학계의 모든 분야에서 두각을 나타내 이러한 차별에 관한 이야기가 아예 사라지는 그런 세상이 왔으면 하는 바램입니다. 2005년 워싱턴포스트지와의 인터뷰에서 루빈 박사가 말했던 것처럼 ‘중요한 사실은 과학자가 되고 싶어하고 큰 업적을 남길 수도 있었을 여성들이 과거에도 있었고 지금도 존재한다는 것’이기 때문입니다.