막심해
【정견망】
2002년 8월 30일 시카고 트리뷴에 따르면 시카고 대학과 다른 4개 연구 기관의 천문학자들 팽창하는 우주의 신비를 연구하기 위해 남극에 망원경을 건설할 준비를 하고 있다. 연구팀은 미국 국립과학재단으로부터 1,660만 달러의 보조금을 받았으며, 4년 안에 망원경을 가동할 수 있을 것으로 예상된다.
이 망원경은 우주 팽창을 가속하는 ‘암흑 에너지(Dark Energy)’를 연구할 계획이다. 우주론자들은 우리 우주가 빅뱅으로 시작하여 팽창했다고 믿는데 시간이 흐를수록 은하들의 중력에 의해 팽창 속도가 균일하거나 느려졌어야 한다.
하지만 1998년과 2002년에 이루어진 두 차례 독립적인 관찰에 따르면 우주 팽창이 오히려 가속화되고 있음을 보여줌으로써 과학자들을 놀라게 했다!
우주의 팽창이 가속화된다는 것은 먼 미래, 가령 지금부터 수십억 년 후에는 모든 별, 은하 및 기타 물질이 우리에게서 멀어져 우주는 거대한 허공(虛空)이 된다는 뜻이다. 물론 이런 결론을 믿지 않는 과학자들도 많다.
원인을 따져보면 우리가 중력에 대해 아는 것이 거의 없기 때문일 것이다. 중력은 과학자들이 연구한 가장 초기의 상호작용 중 하나로 지금까지 모든 것이 명확해 보였습니다. 즉 중력은 지구에서 “사과가 땅에 떨어지게 하는” 힘이라는 것이다. 그러나 우주론자들은 이제 우주 규모에서 중력은 정반대의 행동을 보이는 “암흑 에너지”의 반발에 의해 상쇄된다고 의심하고 있다.
“우리에게는 확실히 중력에 반하는 힘이 존재하는데, 다만 그 스케일이 아주 클 뿐입니다.” 암흑 에너지 망원경의 설계와 건설을 담당한 캘리포니아 대학교 우주센터의 브루스 윈스타인 소장은 이렇게 말한다.
암흑에너지에서 가장 이상한 점은 우주가 가속 팽창하려면 끊임없이 더 많은 암흑 에너지가 생성되어야 한다는 것이다. 하버드-스미스소니언 천체물리학 센터의 토니 스타크는 “현재 이론이 추정하는 것처럼 암흑 에너지가 실제로 우주 전체 질량의 70퍼센트라면, 이제 암흑 에너지가 우주를 지배하기 시작했습니다”라며 “장차 형성되는 은하의 수가 크게 줄어들 것입니다.”라고 말한다. 그러나 실제 관측 결과는 그렇지 않은 것으로 보이며, 수년이 지난 지금도 새로운 은하 형성은 여전히 활발하게 일어나고 있다.
남극에 암흑 에너지 연구를 위한 망원경을 건설 중인 과학자들은 50억~70억 광년 떨어진 은하단을 관찰할 예정이다. 현재 우주론에 따르면 우주가 지금 크기의 3분의 1 무렵 당시 은하들이 빠르게 클러스터를 형성했을 것으로 본다. 마이크로파가 이 클러스터를 통과할 때 성단의 클러스터 속 먼지가 파장에 미세한 변화를 일으키는데, 이러한 변화를 통해 과학자들에게 초기 우주의 은하 클러스터의 수를 알려준다.
암흑 에너지는 암흑 물질과는 전혀 다르다. 암흑 물질은 회전하는 은하계의 별들을 서로 붙잡아주고 떨어지지 않게 하지만 관측할 수 없는 ‘물질’을 말한다. 과학자들은 은하 운동 관측을 통해 회전하는 은하에서 별들 사이의 ‘중력’만으로는 별들이 분리되지 않고 은하 안에 머물러 있을 수 없다는 사실을 발견했으며, 이에 과학자들은 우리가 관측할 수 있는 별보다 훨씬 큰 질량을 가진 신비하지만 보이지 않는 물질인 ‘암흑 물질’이 있다고 추정한다. “암흑 물질”은 중력을 강화한다. 과학자들은 이 암흑 물질이 우주 질량의 약 20%를 차지하고, 암흑 에너지가 약 70%를 차지한다고 본다. 우리가 볼 수 있는 별은 질량의 겨우 10퍼센트에 불과하다.
우주에서 은하의 회전 운동은 오랫동안 과학자들을 당혹스럽게 했던 문제 중 하나이며, 최근 우주의 가속 팽창이 발견되면서 문제가 더욱 복잡해졌다. 회전하는 은하가 안정적으로 유지되려면 신비한 ‘암흑 물질’이 중력을 더해줘야 하지만, 우주 팽창을 가속하려면 은하 사이의 중력에 저항하는 ‘암흑 에너지’가 필요하기 때문이다. 이런 당혹스러운 결과가 나타난 이유는 아마도 과학자들이 중력과 천체의 운동 법칙에 대한 인식에 한계가 있기 때문일 것이다.
중력은 뉴턴이 태양계 행성의 운동에 대한 이전까지 연구를 바탕으로 제안한 개념이다. 이후 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 틀 속에서 다시 설명되었다. 중력은 태양계 행성의 움직임을 설명하는 데는 성공했지만, 우주처럼 큰 스케일에서 실제로 실험적으로 진정하게 확인된 것은 아니다. 그리고 NASA 과학자들은 수년 전 태양계 너머로 발사된 우주선이 중력 법칙에 따라 계산된 궤도에서 벗어나 중력을 이용해 계산한 것보다 느리게 움직인다는 사실을 발견했다.
중력은 오랫동안 과학자들을 가장 골치 아프게 했던 상호작용 중 하나이며, 중력의 많은 특성은 다른 상호작용하는 힘들과 상충한다. 태양계의 규모는 우주의 규모에 비해 너무 작아서 태양계 관측 결과를 우주 규모로 무한정 추정하는 것이 가능한지 의심스럽다. 아마도 이것이 그 이유일 것이다. 뉴턴이 태양계 행성의 운동이 아니라 현재 관측되는 은하들의 운동에 대해 알고 있었다면 중력 이론을 제안하지 않았을 수도 있고, 설사 제안했다 하더라도 오늘날 우리가 알고 있는 이론이 아니었을 가능성이 높다. 암흑 에너지를 관측하는 망원경은 과학자들에게 이와 관련된 단서를 제공할 수 있을 것이다.
참고문헌:
1. http://www.chicagotribune.com/news/nationworld/chi-0208300266aug30.story?coll=chi%2Dnewsnationworld%2Dhed
2. http://www.nature.com/nsu/020812/020812-2.html
3. The Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 330, No. 2, 21 February 2002.
4. NASA News Release: http://www1.msfc.nasa.gov/NEWSROOM/news/releases/2001/01-199.html
5. http://www3.cosmiverse.com/news/space/0702/space07170203image1.html
원문위치: https://www.zhengjian.org/node/18412