우주의 고작 4%만 이해한 인류 암흑물질 후보는 무엇인가?

우주의 고작 4%만 이해한

인류 암흑물질 후보는 무엇인가?

<출처> 리뷰엉이: Owl's Review YouTube

우리 인간들은 우주 전체를

겨우 4%만 이해했습니다.

보이는 물질은 우주 전체에서

4%가 채 되지 않기 때문이죠.

그중에서 암흑물질은 별과 행성, 은하 등등

우리 인간이 볼 수 있는 물질들보다

5배나 더 많이 존재하는 것으로 예측되고 있습니다.

이 암흑물질을 이해하기 쉽게

예를 들어보도록 하겠습니다.

길을 걷고 있는데

갑자기 뭔가가 저를 잡아당기는 느낌이 났어요.

'?(뭐지)'

뒤를 돌아보 봤더니

아무도 없었고 아무것도 없었습니다.

뭐야 기분 탓인가 하고 앞으로 나아가려는데

여전히 뭔가가 잡아당기고 있는 느낌입니다.

그 힘으로 꼼짝없이 그곳에서 나올 수가 없었고

이 이상한 현상을 보고 과학자들은

저를 꽉 붙잡고 있는 무언가의 정체를 파악하려고

온갖 장비들을 동원했어요.

하지만 그 어떤 최첨단 관측 장비로도

아무것도 발견하지 못했고

아무것도 촬영하지 못했죠.

한 과학자가 말합니다.

아무리 초자연적인 힘이라고 하여도

끌어당기는 힘인데

힘이 존재한다면 질량이 있지 않을까요?

네, 맞습니다.

굉장히 합리적인 판단이었죠.

실제로 질량이 있었던 것입니다.

그 어떠한 최첨단 장비로도 볼 수 없지만

질량이 존재하는 어떤 귀신같은 것.

 

이것을 '암흑물질'이라고 명명했습니다.

그리고 거의 100년이 넘는 시간 동안

과학자들은 정체를 알아내기 위해

고군분투를 하면서 연구하고 있죠.

1933년 스위스 천문학자 '프리츠 츠비키'는

지구에서 3억 2천만 광년 떨어진

'머리털 자리 은하단'을 관측했습니다.

1000개 이상의 은하가 모여있고

지름만 2000만 광년인 은하단이었습니다.

이 머리털자리 은하단 전체의 질량을

계산해 보면 재밌겠다고 생각을 했죠.

츠키비는 이 은하단의 질량을 보다 더

정확하게 계산하기 위해서

두 가지 방법을 사용했습니다.

 

첫 번째는 역학 질량을 구하는 것입니다.

자 여기 은하 하나가 있다고 합시다.

이 은하는 은하단 전체가 만들어내는 힘

즉 중력에 의해 잡아당겨집니다.

만약에 은하단의 중력이 충분히 강하지 않다면

은하는 밖으로 튕겨져 나가겠죠.

만약 태양의 질량이 지금보다

100배 1000배 10000배가량 줄어들게 된다면

우리 태양계 행성들이 더 이상

태양의 중심을 공전하지 못하고

튕겨져 나가는 것과 같습니다.

이 현상을 역이용해서

각각의 은하가 얼마나 빠르게 움직이는지를

알아낸다면 은하단 전체 질량을

간접적으로 추정할 수 있는 거예요.

두 번째는 밝기를 이용한 방법입니다.

즉 '광도 질량'입니다.

우리 태양과 같이 스스로 핵융합을 하는 천체를

'항성' 또는 '별'이라고 하는데요.

우주에 떠 있는 수많은 항성들 중에서

어떤 항성은 눈부시게 밝고

또 어떤 항성은 비교적 어둡습니다.

똑같은 항성이지만

질량이 다르기 때문에 밝기도 다른 것입니다.

별의 색깔로 별의 밝기를 알 수 있고

그 별의 질량을 추측할 수 있습니다.

츠비키는 이 방법으로 은하

그리고 은하단의 질량을 추측했습니다.

이렇게 프리츠 츠비키는 역학 질량

그리고 광도 질량 이 두 가지 모두 측정했고

이상한 결과가 나왔습니다.

역학 질량은 광도 질량과 같아야 하는데

무려 역학 질량이 400배나 더 많게 나왔습니다.

츠비키는 계산이 틀렸던 것인지

아니면 어느 한쪽만 맞고, 한쪽은 틀린 건지

알 수 없었습니다.

재검토 그리고 재계산 해봐도

변하지 않았습니다.

이것은 분명히 현재 인간의 관측 기술로는

절대로 볼 수 없는 어떤 물질이

아주 거대한 중력을 만들어내기 때문일 것이오.

나는 이 보이지 않는 물질을

'암흑 물질'이라고 부르겠고

이 암흑 물질이 바로 머리털자리 은하단의

모습을 유지시키는 원인일 것입니다.

하지만 츠비키는 학계에 받아들여지지 않았습니다.

그 당시 과학자들은

간의 관측기술이 아직 덜 발달했거나

츠비키가 뭔가 계산을 잘못했거나

다른 이유가 있다고 생각했습니다.

츠비키가 암흑 물질의 존재를 제기한지

얼마 되지 않은 1939년

미국의 천문학자 호레이스 밥콕은

안드로메다의 역학 질량과 광도 질량이

다르다는 사실을 알아냈습니다.

또 안드로메다 외곽의 공전 속도가

예상보다 훨씬 빠르다는 사실도 최초로 알아냈죠.

하지만 밥콕의 의견은 츠비키와는 달랐습니다.

안드로메다의 어떤 물질이

빛을 흡수했기 때문에 관측을 못 하는 걸 겁니다.

안드로메다 나선팔의 역학은

우리가 아직 이해하지 못했을 뿐입니다.

만약 이때 밥콕이

암흑 물질의 존재를 지지했었더라면

암흑 물질에 대한 연구는 더 빨라졌을 겁니다.

츠비키 이후 40~50년 동안

암흑 물질에 대한 연구는 진척이 없었습니다.

그런데 1960년대부터 이제 관측 기술이

아주 크게 발달하면서

천문학자들이 대거 등장합니다.

이들 천문학자들은 밥콕하고

정말 비슷한 연구 결과를 얻었는데

역학 질량과 광도 질량이 다르단 점입니다.

그리고 안드로메다 외곽의 움직임이

예상보다 훨씬 빠르다는 것도요.

케플러의 법칙에 따르면

질량 중심에서

외부로 갈수록 행성들의

공전 속도는 느려지게 됩니다.

그런데 안드로메다은하에서 그런 모습이

전혀 없었던 것입니다.

안드로메다의 중심이든 외곽이든

회전 속도가 똑같다는 이상한 사실.

아니 이거 진짜 말이 안 되는 거잖아요?

결국 과학자들은

이 불가사의한 현상에 대해서 이렇게 발표합니다.

안드로메다의 회전은

'암흑 물질'이 아니라면

도저히 설명이 불가능합니다.

인간의 관측 기술로는 볼 수 없는

암흑 물질의 중력이

은하 전체에 퍼져있는 것으로 생각됩니다.

베라 루빈(과학자)의 발표는 천문학계에서

완전 대박사건이었습니다.

우리가 절대로 볼 수 없는 어떤 물질이

막대한 중력을 만들어 내다니...

정말 말도 안 되고 설명도 안 되고

이해할 수도 없는 현상이었기 때문에

과학자들의 관심은 더더욱 뜨거웠죠.

이 발표 직후 과학자들은

본격적으로 암흑 물질을 연구하기 시작합니다.

츠비키가 1939년 '암흑 물질'을 제안한지

40여 년 만의 일이었죠.

왜 인간은 암흑 물질을 보지 못할까?

인간의 기술이 아직 덜 발달해서 그럴까?

관측 장비가 아직 덜 발달한 것일까?

먼저 본다는 게 뭔지 알아야 합니다.

사과가 빨간 파장의 빛을 반사하기에

우리 눈이 인식해서 볼 수 있는 것입니다.

그런데 인간은 가시광선 영역만 볼 수 있어요.

감마선, X선, 자외선, 적외선 그리고 전파.

X선을 이용해서 X레이 촬영도 하고

자외선을 이용한 선탠 기계도 만들고

위조지폐도 가려냅니다.

적외선으로 리모컨을 만들고

전파를 이용한 무선 통신도 활용합니다.

우리 인류는 다양한 전자기파를 활용해서

우주로 확장하여 이용합니다.

만약 우리가 오직 가시광선으로만

우주를 관측했었다면

우주에 대한 이해를 절대 넓히지 못했을 겁니다.

그런데, 이 암흑 물질은

어떤 전자기파의 형태로도 볼 수가 없습니다.

NASA의 관측 위성 WMAP의 관측 결과에 따르면

인간이 관측할 수 있는 눈에 보이는 물질들을

모두 합쳐도 우주 전체를 구성하는 질량의 단 4%

이것밖에 모른다.

나머지 96%는 암흑물질, 암흑에너지가 차지하고

상당한 중력을 만들어내고 있습니다.

정말 미치고 환장할 노릇입니다.

우리 인간은 우주에 대해서 이제

많은 비밀을 풀어냈다고 생각하지만

전혀 아닌 것입니다.

'암흑 물질' 공표 이후

암흑 물질은 밝혀내겠다는 과학자들은

엄청나게 많아졌습니다.

지금부터는 암흑 물질의 후보로

거론됐던 것들입니다.

첫 번째 암흑 물질의 후보는 '원자'입니다.

초기 우주는 워낙 뜨거워서 원자의 재료가 되는

양성자 그리고 중성자 또 전자까지 따로따로

플라스마 형태로 분리되어 있었습니다.

이때 양성자하고 중성자가 충돌, 합체해서

중수소 원자핵이 탄생하고

또 이 중수소 원자핵하고

삼중수소 원자핵이 충돌

헬륨 원자핵이 탄생합니다.

38만 년이 지나서 우주의 온도가 내려가고 나서야

원자핵의 전자가 달라붙어서 최종적으로

원자가 만들어진 거죠.

이때 초기 우주에 양성자하고 중성자가

얼마나 많았는지가 가장 중요해요.

초기 우주에 양성자 그리고

중성자의 양이 많았다면

헬륨 원자가 많이 탄생하고

중수소 원자는 적게 탄생합니다.

반대로 초기 우주에 양성자하고

중성자의 양이 적었다면

헬륨 원자는 적게 탄생하고 중수소 원자는

많이 탄생하게 되죠.

1966년 미국 캘리포니아 대학의 관측팀은

은하 중심에 있는 블랙홀

퀘이사를 관측했습니다.

이 퀘이사 주변에는 우주 초기에 만들어졌던

원자들이 있기 때문에 그걸 잘 관측한다면

우주 초기에 물질들의 비율을

알아낼 수 있다는 계산이었습니다.

관측 결과는 이렇습니다.

중수소의 비율은 높았고

양성자나 중성자의 양은 적었습니다.

원자로 이루어진 물질은

암흑물질이 가진 질량의 20% 수준뿐입니다.

즉 암흑 물질은 원자로 이루어진 물질이

아닌 것으로 판단할 수 있겠습니다.

2003년 NASA WMAP 역시도

우주에 있는 양성자, 중성자, 중수소의

비율을 측정했는데요.

관측팀의 결과와 동일했습니다.

결론

암흑 물질의 정체는 미궁 속으로 빠졌습니다.

두 번째 후보는 이렇습니다.

너무 어두워서 보기 힘든 천체들 '마초'입니다.

블랙홀의 주변에 아무것도 없다면

블랙홀을 관측하기 어려울 것입니다.

마초의 종류로는 우주 공간을 떠도는

가스, 먼지, 암석 등도 있습니다.

1991년 미국 미시간대학의 찰스 엘콕 관측팀은

마초 관측에 나섰습니다.

그 결과

'마초 전체의 질량이

겨우 은하 질량의 10% 밖에 안된다고?'

이 정도 질량으론 도저히

암흑 물질의 후보가 될 수 없었습니다.

암흑 물질은 그 어떤 빛의 파장으로도

관측할 수 없다 그랬죠.

그런데 중성자별하고 블랙홀은

가시광선은 거의 방출하지 않아도

X-선을 방출하고요.

갈색 왜성 역시 마찬가지로

가시광선을 거의 방출하지 않지만

적외선을 방출하죠.

즉 이 천체들은 암흑 물질이 아닌 거죠.

또 암흑 물질은 원자로 이뤄지지 않는다고 했으니

마초는 더더욱 암흑물질 후보가 될 수 없겠죠?

암흑 물질은 여전히 오리무중입니다.

그런데 2006년 이후

암흑 물질은 무조건 존재할 수밖에 없다는

증거가 나오게 됩니다.

2006년 8월 NASA의 찬드라 X-선 관측선은

총알 은하단을 관측했습니다.

같은 날 허블 망원경도 총알 은하단을 관측했죠.

2007년 7월 19일 유럽우주국(ESA)은

총알 은하단을 하나로 합성해서

이미지를 공개했습니다.

이 사진이 뭘 뜻하냐면

저 붉은색이 이제 은하단의 가스거든요?

이 은하단에 속한 가스들의 질량이

은하들을 합친 것보다 10배 정도 커요.

가스들의 질량이 10배나 더 크다면

당연히 저 붉은색 쪽의

중력이 훨씬 더 커야 맞잖아요?

그런데 중력렌즈로 중력 측정을 해본 결과

은하들이 모여 있는 곳의

질량이 훨씬 크게 나왔습니다.

즉 암흑 물질은 은하 전체를 둘러싸면서

아주 거대한 중력을 만들어내고 있다는 거예요.

저 푸른색이 바로

암흑 물질의 분포를 나타낸 거고요.

이번 관측으로 암흑 물질에

대한 더 놀라운 사실도 밝혀집니다.

2006년 애리조나 대학의 더글러스 클로 관측팀은

총알 은하단을 연구하고 있었습니다.

총알 은하단은 두 개의 은하단이 충돌한 이후의

모습을 갖추고 있는데요.

이렇게 두 개의 은하단이 충돌하면

어떤 현상이 일어나는지 알아보고 싶었습니다.

이 관측팀이 총알 은하단을 관측해 보니까

진짜 신비한 현상을 발견한 거예요.

차선이 많으니 행성(자동차)은 충돌하지 않았는데

부딪힌 그 자리

가스들은 남아있었습니다.

가스들은 남아있었는데,

푸른색(암흑물질)은 그대로 통과한 모습입니다.

암흑 물질은 유령처럼

부딪힘이 없다는 것입니다.

이번 발견으로 과학자들은

암흑 물질의 특성을 한 가지 더 알게 됐습니다.

이 두 가지 특징에 따라서

암흑 물질의 새로운 후보가 나옵니다.

바로 '중성미자'입니다.

중성미자는 1930년 오스트리아의 물리학자

볼프강 파울리가 그 존재를 처음 예언했고

1953년 원자로 실험을 통해서

처음으로 발견됐습니다.

이 중성미자는 소립자의 일종인데요.

소립자라고 하면 이제

물질을 이루는 가장 작은 단위의 물질이에요.

그만큼 이 녀석은 작아도 너무 작은 데다가

전기도 띠지 않기 때문에

원자로 이루어진 물질들을 그대로 통과합니다.

원자의 99.9% 텅 빈 공간입니다.

중성미자는 지구도 그대로 관통하고요.

사람 몸을 1초에 100조 개 통과한다고 합니다.

그래도 우린 아프지도 않고 느낌도 없죠.

우주에 존재하는 대부분의 중성미자는

'빅뱅' 때 탄생한 것으로 알려져 있습니다.

이 중성미자는 물질들을 그대로 통과하는

특징 때문에 암흑물질의 후보가 됐었습니다.

이제 과학자들은

중성미자가 암흑물질이 맞는지에 대해서

연구를 시작합니다.

슈퍼 카미오칸데로 측정한

중성미자의 질량은

암흑 물질의 1/15 수준이었습니다.

과학자들은 중력 렌즈 효과로

암흑 물질의 질량을 계산합니다.

암흑 물질에 대해서 계속 연구 중입니다.

세계 최대의 천문 관측 프로젝트

'슬론 디지털 스카이 서베이'는

8년 동안의 임무 끝에

3차원 우주 지도, 우주 거대 구조를

실측하는데 성공했습니다.

위 지도는

우리 은하를 중심으로 반경 20억 광년까지의

은하들의 분포입니다.

(은하 100만 개 이상)

이 지도를 잘 보시면

우주의 구조가 되게 특이하죠?

은하들은 균일하게 퍼져있는 게 아니라

필라멘트 구조를 띠고 있어요.

설명에 따르면

은하와 은하단의 질량만으로는

필라멘트 모양이 나올 수 없고

이런 구조가 생겨나려면

차가운 암흑 물질이 있어야만 한다고 합니다.

전 세계 15개국

40명의 천문학자들이 참여한

COSMOS 프로젝트도 있습니다.

이 프로젝트의 목표는

암흑물질이 우주에 얼마나 퍼져 있는지 관측하는 것.

50만 개의 은하를 분석한 결과

3차원의 암흑물질 지도를 만들었는데

놀랍게도 3차원의 은하 지도하고 일치했죠.

과학자들이 계속 연구를 해봐도 답은 하나.

우주 초기부터 존재했던

차가운 암흑물질이 지금의 우주 구조를 만든 것.

암흑 물질의 특징을 적어보겠습니다.

암흑 물질의 특성은 많이 알고 있지만

정체는 전혀 모르고 있습니다.

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<출처> 리뷰엉이: Owl's Review YouTube