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[박종진의 과학 이야기] 암흑에너지와 암흑물질

박종진

박종진

아인슈타인을 뉴턴에 필적하는 명사로 만들어 버린 것은 그의 일반상대성이론이었다. 그는 이 논문에서 우리 우주는 정적인 상태라고 했다. 그런데 문제는 중력이었다. 중력은 서로를 잡아당겨 수축시키기 때문에 그 중력을 상쇄시켜 안정적인 우주를 유지하려면 그 반대의 힘이 존재해야 한다.  
 
그래서 아인슈타인은 자기의 이론을 정당화시키기 위해서 억지로 우주상수라는 항목을 도입했다. 무엇인지는 모르지만, 우주상수를 넣고 계산을 하니 자신이 예측한 정적인 우주모형에 아무 이상이 없었다. 그러나 채 몇 년도 안 돼서 허블이 적색편이 현상을 이용해서 우주가 팽창한다는 이론을 내놓자 아인슈타인은 바로 무릎을 꿇고 우주상수를 포기했다.
 
그런데 또 문제가 있었다. 우주보다 나이를 더 먹은 별들이 있는 것이었다. 자식이 부모보다 더 나이가 많다는 모순에 빠지자 과학자들은 억지를 부렸다. 우주의 팽창 속도가 일정하지 않고 만약 가속 팽창한다면, 그러니까 시간이 지나면서 팽창의 속도가 점점 빨라진다면 별의 나이의 모순을 피할 수 있었기 때문에 많은 천문학자는 우주의 가속팽창이론을 지지했다. 그러나 최근에 일단의 학자들이 외부은하의 초신성 폭발을 관찰하다가 뜻밖에 우주가속팽창의 증거를 찾아 노벨상을 받자 우주의 가속팽창 이론은 정설로 받아들여지고 있다.  
 
그런데 가속팽창 우주에도 문제가 있었다. 물리학에서 어떤 물체를 가속하려면 힘이 필요하다. 이 경우에는 중력을 이길 수 있는 충분한 힘이 있어야 가속이 될 수 있다. 그러자 과학자들은 또 억지를 부렸다. 이 우주에 중력을 거스르고 외부로 가속하기 위해서 어떤 힘이 필요한데 그 힘을 암흑에너지라고 정한 것이다. 물론 자기네 마음대로 정해진 암흑에너지의 정체는 아직 밝혀지지 않았지만, 우주의 약 70% 정도가 될 것으로 추측한다.
 
또 하나, 우리가 혼동하는 용어로 암흑물질이 있다. 이름은 비슷하지만 둘은 완전히 다르다. 우주를 구성하는 은하도 그 중심을 기준으로 원운동을 한다. 그런데 태양 주위를 공전하는 지구나 목성의 경우를 보면 케플러의 법칙에 의해 중심에서 거리가 멀수록 회전 속도가 떨어지는데 은하의 경우는 가깝든 멀든 공전 속도가 일정했다. 천문학자들은 그 이유가 우리 눈에는 보이지 않지만, 우주 공간에 존재하는 어떤 무거운 물질 때문일 거라고 가정하고 그것을 암흑물질이라고 이름 붙였다. 암흑물질은 빛과 반응하지 않기 때문에 보이지는 않지만 우주에 약 25% 정도 존재한다고 추정한다.
 
그렇다면 우주를 구성하는 것 중 암흑에너지가 70%, 암흑물질이 25%니까 나머지 5%가 비로소 물질이다. 그러나 불행히도 그 중 4.5%는 연료를 소진해 죽어가는 갈색왜성, 중성자별, 블랙홀 같은 것들이어서 여전히 보이지 않기 때문에 관측 가능한 우주는 전체 우주의 0.5%밖에 안 되는 실정이다. 이것이 우리의 현주소다.
 
그런데 언젠가부터 아인슈타인이 포기한 우주상수 얘기가 다시 수면 위로 떠 오르고 있다. 많은 천문학자가 우주가속팽창의 동력원인 암흑에너지가 아인슈타인이 고안해 낸, 그리고 창피해서 스스로 폐기한 그 우주상수가 아닌가 생각하기 시작했다. 이것이 증명되어 사실로 판명되면 물리학은 처음부터 다시 시작해야 한다.  (작가)
 

박종진

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