Dark Matter and Dark Energy

암흑물질과 암흑에너지

* The figures refer to Astronomy Today / Chaisson and McMillan - 8th edition, p706 and p680, Pearson ⓒ 2014




암흑물질은 오늘의 천문학에서 커다란 미해결의 미스터리 중 하나로서 우주전체 물질/에너지의 약 26%를 점유하고 있다.* 이의 실측된 증거는 우리은하의 중심 블랙홀을 주위을 회전하는 별들을 속도가 15kpc(킬로파섹) 반경을 한참 넘어서는 40kpc까지도 거의 유사한 바 이는 질량을 갖는 안보이는 물질의 존재를 가리키고 있다. 마찬가지로 다른 은하들도-아마도 모든 나선 은하들이- 이와 유사하게 은하의 가시적인 이미지들을 넘어서 암흑 헤일로(dark halo)의 형태로 포함하고 있음을 나타낸다. 대체로 나선은하들은 일반물질의 3-10배의 포함하고 있으며, 타원은하도 유사하한 것으로 조사되었다. 게다가 은하단에는 10-100배의 암흑물질이 있어 우주 전체에서의는 90%에 가까운의 물질이 암흑이어서 어떤 전자기 파장으로도 탐색되지 않고 있다. 우리가 우주에서 더욱 더 큰 스케일에서는 더욱 더 많은 물질의 부분이 암흑인 것이다.

위의 도형에서 보듯이 우주의 구조 형성은 결정적으로 암흑물질의 존재에 의존하고 있다. (a) 아주 초기의 우주(1초)에서는 대부분 암흑물질과 일반물질의 혼합이었다. (b) 빅뱅 후 몇천년 후에는 암흑물질이 뭉치기 시작했다. (c) 마침내 10억년 경에는 암흑물질이 커다란 구조들(여기서는 두개의 고밀도 피크들)을 형성하는데 거기에 일반물질들도 모여서 우리가 오늘날 보는 은하들을 형성하게 되었다. 그러나 우주의 나머지 부분에서는 대부분 일반물질이 없다. 마치 대양에서의 파도 거품처럼 우리가 볼 수 있는 우주는 전체의 아주 작은 부분에 지나지 않는 것이다.

암흑물질의 존재는 대부분의 우주론 커뮤니티에서 일반적으로 받아들여지고 있지만 결정적인 확인 증거가 아직 없는 관계로 암흑물질 없이도 관측 사실을 설명하려는 일반상대성이론이나 케플러/뉴톤의 법칙의 수정을 연구하는 그룹들도 있다. 그래서 우리나라를 포함한 여러 국가에서 노벨물리학상 1순위 후보인 '암흑물질의 발견'을 위해 지상에서의 검출, 천문학적 관측 그리고 입자가속기에서의 검출 등이 활발히 시도되고 있다.**


1990년대말 두 그룹의 천문학자들이 독립적으로 멀리있는 초신성들의 조직적인 연구결과를 발표하였는데 우주의 팽창속도가 가속되고 있음을 알게되었다! 그 측정값들이 좋은 이상 그 가속은 실제라고 믿어지고 있다. 그렇다면 무었이 우주의 전반적 가속팽창을 일으키는가? 우주과학자들도 그 정체를 모르기 때문에 빈 공간의 가속 팽창을 일으키는 에너지를 암흑에너지라고 부르고 있는데, 그것이 오늘의 천문학의 가장 주요한 수수께끼인 것이다. 위의 도형에서 보이든이 암흑에너지의 척력 효과는 우주의 크기에 비례하여 우주가 확장될 수록 증가한다. 암흑에너지는 초기에는 무시할만 했지만 오늘날에는 관측된 가속의 크기에 의하면 우주 팽창을 조절하는 주요 요소이다. 나아가 중력 효과가 약화되고 암흑에너지가 주도하기 시작하면서, 중력이 따라잡을 수가 없고 항상 증가하는 속도로 가속화하기를 계속할 것이다.

암흑에너지의 주요 후보중 하나는 추가적인 '진공 에너지'(vacuum energy)로서 빈공간과 관련하여 아주 큰 축척에서만 작용한다. 단순히 '우주상수'(cosmological constant)로 알려져온 바 아인슈타인이 그의 새로운 일반상대성 이론을 정적인 우주를 예측하도록 만들고자 제안되었다가 우주팽창의 증거가 발견되자 아인슈타인 방정식에서 사라진 것이었다. 1990년대에 우주상수를 사용하는 우주 모형이 관측자료와 부합하고 있지만 그 힘이 실제로 무엇인지 분명한 물리적 해석을 하지 못하고 있다. 또하나의 희망적인 암흑에너지의 후보로는 '제5원소'(quintessence)이다. 우주상수가 빈 공간의 성질로서 물질이나 일반 에너지과 독립적이지만 제5원소는 우주의 물질과 방사에 의존하는 방식으로 진화한다. 제5원소가 암흑에너지를 우주가 팽창하고 식고 은하들이 형성되고 자라는 주도적인 힘들에 포함시키면서 자연스러운 기계장치를 제공할지도 모른다. 우주론학자들은 경쟁적인 두 이론들 사이에서 실험과 관측을 계속하고 있는 중이다.

초신성 관측과 해석이 이제까지 강력한 검증들을 견뎌왔지만 몇가지의 다른 증거들이 있으므로써 완전 미지의 분야인 암흑에너지에 의한 우주 가속팽창이론은 우주론학자들간에 빠르고 넓게 받아들여졌다. 초기 우주의 이론적 연구에 의하면 우주의 기하학은 정확하게 평평하다. 즉, 우주의 밀도는 정확하게 임계밀도과 동일하다. 이 이론는 1980년대에 널리 퍼졌는데 이론과 관측증거가 암흑물질을 포함해 30%밖에 없는 것이 주요 불일치였었다. 그런데 모든 우주론학자들이 이 해법에 즐거워하지 않지만 암흑에너지는 나머지 70%를 제공함으로써 그 모순을 해결한다.**

WMAP(윌킨슨 초단파 등방성 탐사선)은 2001년에서 2009년까지 이전의 COBE(우주배경 탐사선)의 20배의 정확성으로, 2009년에 발사된 유럽 우주국(ESA)의 플랑크위성은 그보다 3배의 해상도와 10배의 감도로 우주배경복사를 촬영하였고 우주의 기본 변수에 관한 데이터를 전해주고 있다. 아직까지는 새로운 발견보다 데이터의 정밀도만이 높아지고 있다. 예로서 우주 나이는 137억년에서 138억년으로 수정되었고 암흑물질은 26%, 암흑에너지는 69%로 수정하는 데이터들을 전해주고 있다. 이렇게 21세기 첫번째 십년간에는 불과 수년전에만 해도 꿈꿔았던 정확성으로 우주의 기본 변수들(아직 충분히 이해되지는 못했지만)이 측정되었디. 그 다음 십년인 현재에는 암흑물질과 암흑에너지의 본질을 더욱 정확성을 갖고 탐구하는 시기로 진행되고 있다.


* 현재 우주 표준모형으로 받아들여지는 LCDM/ΛCDM(Lambda cold dark matter) 람다 차거운 암흑물질 모형에 의하면 우주는 69%의 우주상수-암흑에너지 람다(Λ), 26%의 차가운 암흑물질, 5%의 보통물질로 구성되어 있으며 우주나이는 138억년, 허블 상수는 67.74km/s/Mpc이다. 이 모형에 의한 수치모형계산의 결과는 우주초단파배경(CMB)를 비롯해 은하와 은하단의 형성시기와 공간 분포에 관한 관측사실을 비교적 잘 설명하고 있다. [플랑크 2015]
** 암흑 헤일로에 싸여 있어 멀리까지 공전속도가 거의 일정한 우리은하 전체에서와 달리 태양계 내에서는 케플러/뉴톤의 법칙대로 태양에서 멀수록 공전속도가 느려진다. 그 이유는 암흑물질/일반물질의 비율이 우리은하 전체적으로는 약 268배이나 태양계에서는 약 10^^-8배이므로 암흑물질의 공전속도에 대한 영향이 거의 없다. 태양계에서의 암흑물질의 밀도는 10^^-19gram/cm3로 추정되어 거의 관측한계 이하이므로 대단히 발견하기 어려운 것이다.
***우주가 가장 커다란 축척으로는 완전히 평평하다는 것은 급팽창 이후의 '관측 우주'는 평평하다는 것이다. 급팽창이 이루어진 거대한 (우주)풍선위의 개미에게는 실제로 우주는 완전히 평평하게 보임을 연상하면 쉽게 이해할 수 있다. 이렇게 우주는 급팽창 후 계속 팽창하고 있어 이제는 일반상대성이론의 어려운 장치와 휘어진 시공간은 더이상 필요가 없어져버린 것은 의심할 바 없이 뉴톤을 기쁘게할 아이러니다!

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