별과 우주 4강. 암흑물질과 암흑에너지: 우주의 95%

별과 행성과 우리 몸, 즉 아는 물질 전부는 우주의 약 5%입니다. 나머지 95%가 무엇인지 인류는 아직 모릅니다.

풀고 시작

츠비키의 이상한 은하단

1933년 스위스 출신 천문학자 츠비키(Zwicky)는 코마 은하단 속 은하들의 속도를 쟀다가 이상한 결과를 얻었습니다. 은하들이 너무 빨랐던 겁니다. 보이는 별들의 질량이 만드는 중력만으로는 그 속도의 은하들을 붙잡아 둘 수 없고, 은하단은 진작 흩어졌어야 했죠. 츠비키는 빛을 내지 않는 막대한 질량, 즉 암흑물질(dark matter, 그의 표현으로는 dunkle Materie)이 있어야 한다고 결론지었습니다. 하지만 괴짜로 유명했던 그의 주장은 수십 년간 진지하게 받아들여지지 않았습니다.

루빈의 회전 곡선

부활은 1970년대에 왔습니다. 루빈(Rubin)은 동료 포드와 함께 안드로메다를 비롯한 나선 은하들의 회전 곡선, 즉 중심에서의 거리에 따른 별들의 공전 속도를 정밀 측정했습니다. 태양계에서는 태양에서 멀수록 행성이 느리게 돕니다. 은하도 질량 대부분이 밝은 중심부에 있다면 외곽 별들은 느려야 하죠. 그러나 측정 결과 회전 속도는 외곽까지 거의 평탄하게 유지되었습니다. 보이지 않는 질량이 은하를 거대한 헤일로처럼 감싸고 있다고 보아야만 설명되는 결과였고, 여러 은하에서 같은 패턴이 반복되자 암흑물질은 주류 가설이 되었습니다. 이후 은하단이 배후 은하의 빛을 휘게 하는 중력렌즈 관측, 그리고 우주배경복사의 미세한 얼룩 분석도 같은 결론을 가리켰죠.

그렇다면 정체는 무엇일까요. 유력 후보였던 무겁고 상호작용이 약한 입자 WIMP를 잡으려고 지하 깊은 곳에 초고감도 검출기들이 세워졌지만, 수십 년의 탐색에도 확실한 신호는 아직 없습니다. 액시온 같은 다른 후보의 탐색도 진행 중이죠. 증거는 압도적인데 실체는 오리무중, 이것이 현재 상황입니다.

1998년, 팽창이 빨라지고 있었다

1990년대 두 국제 연구팀은 멀리 있는 초신성들을 이용해 우주 팽창이 얼마나 느려지고 있는지 측정하려 했습니다. 물질의 중력이 팽창에 제동을 걸 테니 감속은 당연해 보였죠. 그런데 1998년 발표된 결과는 정반대였습니다. 우주의 팽창은 약 50억 년 전부터 가속되고 있었던 겁니다. 공간을 밀어내는 정체불명의 무언가에 암흑에너지(dark energy)라는 이름이 붙었고, 펄머터, 슈밋, 리스는 2011년 노벨 물리학상을 받았습니다. 흥미롭게도 아인슈타인이 정적 우주를 만들려고 도입했다가 철회한 우주상수가 암흑에너지의 가장 단순한 후보로 되살아났죠.

5%의 우주에 사는 우리

관측 결과를 종합하면 우주의 에너지 구성은 대략 암흑에너지 68%, 암흑물질 27%, 보통 물질 5%입니다. 별과 은하와 우리 몸을 이루는, 물리학이 표준모형으로 정밀하게 기술하는 물질은 겨우 5%에 불과하다는 뜻이죠. 나머지 95%의 정체는 현대 물리학 최대의 미해결 문제로, 물리학 서가의 미해결 문제 강과 곧장 이어집니다. 다음 강에서는 시선을 돌려, 그 5% 안에서 생명이 사는 행성이 또 있는지를 묻습니다.

인출 문제

생각해볼 질문 (정답 없음)

• 수십 년의 검출 실패는 암흑물질 가설을 의심할 이유가 될까요, 아니면 검출기가 더 정밀해져야 한다는 뜻일까요. 중력 이론 자체를 수정하자는 대안(수정 뉴턴 역학)은 어떤 조건에서 더 매력적이 될까요.

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