암흑우주, 우주를 지배하는 96%

수소, 헬륨, 탄소, 질소, 산소, 마그네슘 …… 우리가 알고 있는 물질은 기본적으로 원소로 구성되어 있다. 신문, 책상, 자동차, 건물, 그리고 우리 몸도 모두 이들 원소로 구성되?어 있다. 그렇다면 과연 우주도 우리가 알고 있는 원소로 구성되어 있을까?
인류가 지금까지 밝혀낸 원소의 수는 모두 122개이다. 그리고 각각의 원소는 저마다 다른 빛의 스펙트럼을 지니고 있다. 이를 바탕으로 천문학자들은 행성과 항성, 은하 같은 천체의 성질과 거리, 나이 등을 이들 원소가 내는 빛을 기준으로 파악한다. 그렇게 천문학과 분자학이 발달한 이래 인류는 우주 공간에서 인류가 아는 원소의 범위 안에서 우주를 이해해 왔다. 그리고 나름대로 우주의 기원과 우주의 끝이라 할 만한 천체들을 파악하고 있다.
그런데 이 원소가 우주 공간에서 차지하는 질량은 겨우 4%이다. 나머지 96%는 바로 아직 우리 인류가 밝혀내지 못한 “암흑물질”과 “암흑에너지”가 차지하고 있다. 세부적으로 살펴보면, 우주의 질량 밀도를 차지하는 요소 중 인류가 아는 원소는 4%, 암흑물질은 22%, 암흑에너지가 74%이다.

우주에 관한 기초 상식부터 암흑우주까지

이 책은 암흑물질에서 은하가 형성되었다는 최근의 연구결과를 소개하고 있지만 전문적인 이야기로만 가득 차 있지 않다. 천문학 분야의 책을 처음 읽는 청소년도 이해할 수 있도록 광년의 개념부터 겉보기등급과 절대등급, 각운동량과 도플러 효과 등 기초적인 개념들에 대한 설명으로 시작한다. 또 이런 개념들을 일방적으로 나열하지 않고 우주를 구성하고 있는 천체들의 명칭과 특징, 우주 탄생의 기원인 빅뱅을 설명하면서 적재적소에 설명을 배치하였다. 그리고 자연스럽게 암흑물질, 암흑에너지의 개념과 그것이 은하 형성에 어떤 영향을 미쳤는지를 설명한다.
우리가 사는 우리은하에는 태양과 같은 별(항성)이 1000억개 이상 있다고 한다. 그리고 우주에는 우리은하와 같은 은하가 역시 1000억 개나 있다. 그렇다면 우주를 채우고 있는 별들의 숫자는 10의 22제곱에 해당하는 숫자만큼 있는 셈이다. 또 지금까지 밝혀낸 우주의 나이에 대한 가장 정교한 값은 137억 년이다.
과학자들에 따르면 암흑물질과 암흑에너지는 우주 질량의 거의 대부분(96%)을 차지하고 있으며, 또 우주와 거의 같은 나이를 가지고 있다고 한다. 따라서 이제 암흑우주라는 개념을 떠올리지 않고서는 우주를 온전히 이해할 수 없는 셈이다.

암흑물질과 암흑에너지의 비밀

정체불명의 에너지를 발견하다
1930년대 미국 캘리포니아 공과대학의 천문학 교수 프리츠 츠비키는 은하의 집단에 관심을 가지고 연구하고 있었다. 특히 머리털자리의 방향에 보이는 약 3억 광년 정도 떨어진 은하단을 구성하고 있는 은하의 운동속도를 측정했다. 여러 은하의 속도를 비교해 보면 은하단 내에서 은하들이 어떤 방식으로 운동하고 있는지를 알 수 있기 때문이었다.
은하단에 속한 은하는 은하단 안에 포함된 질량의 지배를 받으며, 그 안에서 불규칙적으로 운동한다. 그리고 그 운동속도는 은하단의 질량을 반영하기 때문에, 운동속도를 파악해 은하단의 역학질량을 파악할 수 있었다. 그런데 은하단의 광도로부터 질량을 평가하는 광도질량과 역학질량을 비교한 그는 깜짝 놀랐다. 광도질량에 비해 역학질량이 100배나 컸던 것이다. 무언가 맞지 않았음을 느꼈으나 당시는 아무도 이 의문을 진지하게 생각하지 않았다.

‘암흑물질’의 존재가 드러나다
1970년대에 이르러 천문학 분야에서 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 연구가 활발히 전개되었다. 그런데 컴퓨터 시뮬레이션에 은하를 설정하고 움직임을 계산하려고 했으나 모의실험으로는 은하가 안정적으로 회전하지 못한다는 결론만 나왔다. 학자들은 컴퓨터 안의 은하를 안정시키고조 한다면 단 한 가지 방법이 있음을 알게 되었다. 바로 ‘은하 주변에 은하의 몇 배나 되는 질랴을 가진 존재를 도입하면 된다’는 것이다. 당시 과학자들은 이것을 은하 주변의 헤일로라고 보아 ‘암흑 헤일로’라고 불렀다.
당시 안드로메다은하의 원방 회전 상태를 조사하던 베라 루빈 박사 연구팀이 있었다. 그녀는 안드로메다은하의 중심과 바깥쪽의 회전속도가 거의 같다는 것에 놀랐다. 상식적으로 은하의 중심에 질량이 밀집되어 있다면 바깥쪽으로 갈수록 회전속도가 줄어야 했기 때문이다. 그러나 관측결과는 달랐다. 안드로메다은하의 원반은 안쪽이나 바깥쪽 모두 같은 속도로 회전하고 있었고, 이런 현상은 우리은하에서도 관측되었다. ‘암흑물질’의 존재가 세상에 드러난 순간이다.

암흑물질의 3차원 지도를 그리다
암흑물질의 정체는 무엇일까? 지금까지 밝혀낸 암흑물질의 성질은 몇 가지뿐이다. 전자파로 관측되지 않는 점으로 미루어 전하를 가지고 있지 않으며, 중력 이외의 작용은 지극히 작다. 은하에서 은하단에 이르기까지 보편적으로 존재하며, 특히 우주만큼의 나이를 가지고 있다.
과학자들은 암흑물질이 행성계가 아닌 은하에 작용하는 점을 미루어 은하가 형성되는 데 암흑물질이 역할을 한 것은 아닌가 의심했고, 연구를 시작했다. 그 프로젝트가 보라 2003년에 시작된 허블우주망원경의 최대 프로젝트인 우주진화탐사(COSMOS, Cosmic Evolution Survey)이다.
2007년 COSMOS 팀은 허블우주망원경과 스바루우주망원경을 이용하여 은하와 암흑물질의 공간 분포를 비교하였고, 은하의 스펙트럼-에너지분포를 파악하여 암흑물질의 3차원 분포를 만들어 내는 데 성공했다. 그리고 또한 암흑물질이 많은 곳에 은하가 가까이 몰려 있다는 사실을 통해 암흑물질에 의한 은하형성론을 입증하게 되었다.

들어가는 글

제1장 암흑의 우주
제2장 암흑우주의 탄생
제3장 은하우주의 탄생

옮긴이의 글
사진출처
참고문헌