[비센의 재미있는 과학 이야기] 암흑 물질과 암흑 에너지

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작성자 석준영 쪽지보내기 메일보내기 홈페이지 자기소개 아이디로 검색 전체게시물 작성일15-03-30 18:22 조회1,885회 댓글0건

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인간의 인지 능력을 벗어난 세계, 찾기 위한 노력 계속되고 있습니다.

도시를 벗어나 캠핑이라도 가서 밤 하늘을 바라보면 쏟아질 듯 하늘을 가득 메우고 밝게 빛나고 있는 수 많은 별들을 볼 수 있습니다.

그렇게 밤 하늘을 가득 메운 별들 중에는 수천광년 이상의 먼 거리에 위치한 것들도 있습니다.

육안으로 볼 수 있는 별들만 해도 셀 수가 없지만, 천문 관측을 통해 우리는 각각의 별들의 크기, 나이 등도 놀랄 정도로 자세히 알고 있고, 또 항성, 행성, 은하 등 가히 우주의 모든 구석구석을 다 알고 있는 듯 합니다.

이 뿐만이 아닙니다. 빅뱅이론을 통해, 이 우주의 생성기원이 어떠 했을지에 대해 이론적으로나마 짐작할 수있고, 또 1920년대 천문학자 허블의 업적을 통해 이 우주가 팽창하고 있다는 사실도 알고 있습니다.

1960년대에 미국의 여성 천문학자 베라 루빈(Vera Cooper Rubin, 1928- )이 나선구조 은하의 회전에 관한 연구결과를 발표할 때까지만 해도 정말 우리 인간들이 이 드넓은 우주의 모든 구성물들을 분석, 관측할 수 있다고 자신해왔습니다.

루빈은 1950년대부터 미국 애리조나에 위치한 키트피크 천문대(Kitt Peak National Observatory, Arizona, USA)에서 나선구조 은하 내부의 별들의 회전 속도들을 관측했습니다. 그런데, 놀랍게도, 그녀의 관측결과는 중력법칙에 의해서 공전하는 별들은 중심에 가까울 수록 빠르게 돌고, 멀리 위치할 수록 그 속도가 느려진다는 케플러의 법칙과 완전히 반대되는 것으로 은하의 중심부와 변두리부분에 위치한 별들의 회전 속도에 크게 차이가 없고 몇몇의 특이한 별들은 심지어 중심부에 위치한 별들보다 더 빠르게 회전하고 있다는 것을 관측한 것입니다.

일부의 천문학자, 물리학자들은 이 관측결과를 보고서 처음에는 케플러의 중력법칙이 수정되어져야 하는 것이 아니냐며 중력법칙의 오류를 찾기 위해 노력을 했지만, 모두 실패하였습니다.

즉, 오류가 없는 중력법칙에 따라 예측되는 결과와 완전히 상반되는 결과가 관측되었다는 것인데, 법칙이 틀리지 않았는 데도 이러한 결과가 관측되었다는 것은 결국엔 중심부에 위치한 질량과 비슷하거나 심지어 더 무거운 질량을 갖고 있는 물체가 존재하며 그 물체가 나선구조의 전체 은하 공간에 퍼져있지만 그것이 단지 우리들에게 관측되지는 않고 있는 것 뿐이라고 설명할 수 밖에 없게 된 것입니다.

이렇게 해서 루빈으로부터 세상에 알려지게 된, 존재는 하지만 아직 우리의 과학으로 아직 관측할 수 없는 물질을 암흑 물질( Dark Matter)이라고 부릅니다.

계산에 의하면 이러한 암흑물질이 우리가 보고 있는 우주의 많은 물질들과 비교해 보면 실제 관측가능한 물질들의 약 6배에서 10배정도의 질량에 해당합니다.

실제 우주의 여러 곳을 관측해보면, 분명 아무 것도 없는 빈 공간이라고 보이는 지역에서 중력렌즈효과(무거운 물체의 옆으로 빛이 지나가면 중력에 의해 빛이 렌즈를 통과하는 것처럼 휘어지는 현상)를 관측할 수 있었고, 이는 우리에게 관측되지는 않지만 강한 중력을 가진 무언가가 그곳에 있다는 것을 보여주는 것으로서 암흑물질이 실제함을 밝혀준 관측결과입니다.

여기서 끝이 아닙니다.

허블에 의해 예측된 대로 우주가 팽창하고 있다는 사실은 여러 관측에 의해 증명이 되었지만, 우주의 모든 부분들에서의 팽창 속도를 구체적으로 측정해 본것은 1998년이 되어서야 이루어 졌습니다. 그리고 그 결과 역시 과학자들의 예상과는 완전히 반대로 관측되었습니다.

모든 물체들은 서로 잡아당기는 힘, 즉 중력이 있다라는 것으로부터 생각해보면, 주위에 별들이 상대적으로 적게 있는 우주의 변두리 부분에서 별들의 팽창속도는 중심부의 별들의 속도에 비해 느려져야 하는데, 실제 관측결과는 변두리부의 별들의 팽창속도가 중심부보다 더 빠르다는 것을 보여주고 있습니다.

이것은 우주전체에 팽창속도를 증가시킬 수 있는 에너지가 있다는 이야기가 되는데, 현재 관측되는 에너지로는 절대 설명이 될 수 없기 때문에, 이 역시 우주에 ‘현재 과학’으로는 측정이 되지 않는 관측할 수 없는 에너지, 즉 암흑 에너지(Dark Energy)가 퍼져 있으며, 이에 의해 우주는 외곽으로 갈 수록 더 빠르게 팽창을 하는 것이 가능하다고 해석하고 있습니다.

더욱 더 놀라운 사실은 이론적으로 이러한 암흑물질과 암흑에너지를 계산해 본 결과, 전체 우주의 약 73 %정도가 암흑에너지로, 그리고 23 %는 암흑물질로 채워져 있고, 우리가 그 동안 우주의 모든 것이라고 생각해 왔던 항성, 행성, 은하 등의 관측 가능한 물질들은 고작 전체의 4 %밖에 되지 않는 다는 것입니다.

고대 그리스로부터 3000여년동안 인류가 관측해 온 이 모든 것들이 이 우주 전체의 십분의 일도 되지 않는 다는 것이지요.

정말로 이 드넓은 우주를 알면 알수록 인간이라는 존재가 얼마나 하찮고 보잘 것 없는 것인지 한없이 겸손해 질 수 밖에 없는 것 같습니다.

하지만 우리 인류 역시 여기서 멈추지 않습니다. 지금도 수많은 과학자들은 이 암흑물질과 암흑에너지의 실체를 밝히기 위해 노력 중이며 언젠가는 분명 밝혀질 것이라고 믿습니다.

독일의 유명한 수학자 데이비드 힐버트(David Hilbert, 1862-1943)의 묘비에 적혀 있는 말처럼 말입니다.

Wir müssen wissen — wir werden wissen!

(We must know – We will know! 우리는 반드시 알아야 한다. 그리고 꼭 알아낼 것이다!)