암흑물질, 암흑에너지

[암흑물질 : Dark Matter]

우주에 존재하는 물질 중 약 27% 정도가 암흑물질로 이루어져 있다고 추측되는데, 실제 전자기장과의 상호작용이 이루어지지 않고 빛을 흡수하거나 방출하지 않으므로 감지되지 않는 암흑의 가상 존재이다. 암흑물질은 직접 관찰되지 않으므로 간접적인 증거를 통해서 존재의 가정을 하고 있다. 과학계에서 기존에 자신들이 알고 있는 법칙이 성립되지 않는 부분을 설명하고자 만들어진 개념이므로 현재까지도 암흑물질의 존재 자체를 불편하게 생각하는 견해들도 여전히 있다. 암흑물질로 설명되지 않는 부분은 암흑에너지로 설명되고 있다. 또한 보수적인 학계에서 나름의 검증 절차를 거쳐 인정받고 있고 이를 증명하기 위한 근거들이 존재하고 있는 이유이다.

 

1. 은하 회전 속도

케플러 법칙에 따르면 특정한 질량을 중심으로 천체가 공전하게 될 때 중심에서 멀어질수록 공전 속도가 느려지고 가까울수록 공전 속도라 빨라져야 한다. 즉, 중심과 가까우면 중력이 강해서 공전 속도가 굉장히 커진다는 것인데, 1960년대부터 시작된 은하 회전 속도 측정 결과를 보면 중심에서 먼 위치에서도 공전 속도가 느려지지 않는다는 것이 확인되었고, 1980년대에는 대형 광학 망원경과 전파 망원경 기술을 토대로 공전 속도를 더욱 정확하게 측정할 수 있게 됨에 따라 더 타당성이 있는 결과를 만들어냈다. 이는, 우리은하의 외곽에 별들의 질량을 넘어서는 거대한 어떤 질량이 없으면 설명이 되지 않는 현상이라고 볼 수 있다. 즉, 대부분의 은하는 자신보다 훨씬 큰 질량의 암흑 물질로 둘러싸여 있다고 보인다.

 

2. 은하단 질량 측정

은하단 중심부의 은하들은 1000km/s 정도의 속도로 빠르게 움직이고 있으며, 이를 잡아두기 위해서는 엄청난 양의 질량이 존재해야 하는데 실제 측정이 가능한 항성이나 가스들의 총질량을 합산해도 턱없이 부족하다. 이는, 은하단의 내부에는 매우 거대한 양의 암흑물질이 있다는 것을 의미한다. 암흑물질이 존재하지 않는다면 은하들은 이미 은하단의 궤도를 벗어났을 것이다. 아마도 암흑물질도 은하단과 유사하지만 보다 넓은 범위의 헤일로 형태로 분포하고 있을 거라고 추측되고 있다.

 

3. 중력렌즈 효과

은하단의 질량은 빛의 중력렌즈 효과로도 측정 가능하다. 암흑 물질 그 자체는 안보이지만 관측할 수 있는 다른 물체들에 영향을 미쳤을 때에는 측정을 할 수 있다. 암흑 물질의 중력은 다른 곳에 있는 광원이 빛을 냈을 때 그 경로를 바꿀 때 영향을 미칠 것이라는 이론으로 빛의 이동 경로에 은하단과 같은 무거운 천체가 존재한다면 천체의 중력에 영향을 받아서 빛이 휘게 되며 이러한 현상은 관측이 가능하다. 빛의 방향은 중력렌즈를 통해 원래 오던 방향과 반대 방향으로 꺾이게 된다. 중력렌즈 현상은 은하 내부에 있는 암흑물질을 측정하는 데에도 사용된다. 중력렌즈 이론은 암흑물질의 증거 중 가장 설득력 있는 이론이라고 할 수 있다.

4. 총알 은하단

총알 은하단은 최소 2개 이상의 은하단이 융합해서 만들어진 것이다. 각 은하단에는 암흑물질과 엑스선을 방출하는 가스들로 구성되어 있다. 두 은하단의 가스들은 서로를 그냥 지나치지 못하고 상호작용을 하며 은하단을 따라다니던 가스가 교착 상태를 이루지만, 암흑물질은 상호작용을 거의 하지 않기 때문에 방해 받지 않고 계속 흘러가다 보니 융합된 은하단 양쪽에는 두 덩어리만 불쑥 솟아나는 모양이 돼버린다. 따라서, 은하들이 융합할 때 방해받지 않고 그저 스쳐 지나가는 물질이 바로 암흑물질이다.

 

5. 암흑물질과 우주배경복사

우리는 아직도 의문을 갖고 있다. 암흑물질은 우주에서 얼마만큼의 비중을 차지하고 있을까? 암흑물질의 양은 우주배경복사에 영향을 주었다. 우주배경복사란 빅뱅 이후 태초의 빛이 지금까지 남은 것을 말한다. 암흑물질의 양을 추정하는데 이 복사를 연구하는 것이 중요하다. 우주배경복사의 정보와 우주 관측 자료를 토대로 우주의 여러 특징을 알아내고 있기 때문이다. 그 예로 온도가 약간 높은 지역과 낮은 지역의 크기와 온도를 비교하여 초기 우주의 인력 세기를 알아내고, 물질이 얼마나 빨리 쌓이게 되었는지 추측할 수 있다. 

[암흑에너지 : Dark Energy]

우주의 구성 물질이 암흑물질과 보통 물질로만 이루어져 있다면 상호 인력으로 인하여 우주는 팽창 속도가 감소하거나 수축할 것이다. 그렇지만, 현재의 우리의 우주는 가속 팽창을 하고 있다는 사실이 밝혀졌다. 따라서, 인력(중력)과는 반대로 척력의 힘을 이용하여 우주가 가속 팽창되는 미지의 에너지가 있다고 보고, 이를 암흑에너지라고 한다.

플랑크 우주 망원경에 의한 관측 결과로서 우리 우주의 구성은 우주의 분포는 암흑에너지> 암흑물질> 보통물질의 순으로 구성되어 있다. 물론, 우주 구성의 분포는 시간에 따라 달라지고 있다. 우주 구성 분포는 시간의 흐름에 따라 밀도 비율이 달라져 밀도 비율이 높았던 순서에 따라 복사 우세 시기, 물질 우세 시기, 암흑 에너지 우세 시기로 나뉘게 된다. 복사 우세 시기는 빅뱅 직후 고온의 우주는 에너지(복사)가 물질로 전환되지 않아 물질의 밀도보다 에너지의 밀도가 높았던 시기로 급팽창이 일어났던 때이다. 우주가 팽창하게 되면 온도가 식어감에 따라 우주의 에너지는 물질로 전환되거나 흡수되었기 때문에 에너지의 밀도가 물질의 밀도보다 줄어든 때이다. 이때는 암흑에너지보다 물질의 밀도가 더 크기 때문에 인력에 의해 감속 팽창 하는 시기이다. 우주의 공간이 계속해서 팽창하면서 물질의 밀도는 감소하며 암흑에너지 밀도가 물질의 밀도보다 더 늘어난 때이다. 척력의 힘을 가진 암흑에너지의 밀도가 크므로 이 시기는 가속 팽창이 일어난다.

암흑에너지는 척력을 가지고 있고, 척력은 은하안의 항성들 사이의 중력이나 항성과 행성 사이의 중력보다는 약하므로 우리은하는 팽창하지 않지만, 은하의 집단인 은하단끼리는 중력보다 척력이 크기 때문에 은하단 사이의 거리는 점점 멀어지고 있다. 암흑 에너지는 빅뱅 이후 지금까지 동일한 밀도를 가지고 있다. 우주의 공간이 팽창한다고 하더라도 암흑물질이나 보통 물질들은 엷어지지만 암흑에너지는 공간 그 자체가 가진 에너지이기 때문이다.