암흑 에너지와 암흑 물질에 관하여

암흑 물질과 암흑 에너지라는 미스테리

우리 눈에 보이는 우주는 지구, 태양, 다른 별 그리고 은하를 포함하여 양자와 중성자, 그리고 원자로 뭉쳐진 전자들로 이루어져 있다. 20세기의 가장 놀라운 발견들 중 하나는 이 평범한 혹은 사람의 눈에 관측 가능한 물질이 우주 질량의 5퍼센트 미만을 차지한다는 것이다. 우주의 나머지 부분은 암흑 물질이라고 불리는 불가사의하고 보이지 않는 물질(25%)과 암흑 에너지로 알려진 중력을 억제하는 힘(70%)으로 이루어져 있는 것으로 보인다.

과학자들은 아직 암흑 물질을 직접 관찰하지 못했다. 그것은 이음매 물질과 상호작용하지 않고 빛과 다른 형태의 전자기 방사선에 완전히 보이지 않기 때문에 암흑 물질을 현존하는 기술이나 도구로는 감지할 수 없다. 그러나 과학자들은 그것이 은하단과 은하단에 미치는 중력 효과 때문에 그것이 존재한다고 확신한다. 예를 들어 표준 물리학에 따르면 회전하는 나선은하의 가장자리에 있는 별들은 은하의 가시 물질이 집중된 은하중심부 근처의 별들보다 훨씬 느리게 이동해야 한다. 그러나 실제 관측에 따르면 별들은 은하 원반에서 어디에 있든 거의 같은 속도로 공전하고 있다. 만약 경계 별들이 은하 주변의 후광에서 보이지 않는 질량, 즉 암흑 물질의 중력 효과를 느끼고 있다고 가정한다면 이 혼란스러운 결과는 타당하다.

암흑 물질은 또한 천문학자들이 깊은 우주에서 보는 어떤 착시현상을 설명할 수 있다. 예를 들어 훨씬 더 먼 은하에서 나오는 빛이 전경에 있는 거대하고 보이지 않는 암흑 물질 구름에 의해 왜곡되고 확대된다면 이상한 고리와 빛의 호를 포함하는 은하의 그림은 설명될 수 있을 것이다. 바로 중력 렌즈라고 알려진 현상이다.

천문학자들은 암흑 물질이 무엇인지에 대한 몇 가지 아이디어를 가지고 있다. 한 가지 선도적인 가설은 암흑 물질이 정상적인 물질이나 빛과 상호작용하지 않지만 여전히 중력을 발휘하는 이국적인 입자로 구성되어 있다는 것이다. CERN의 대형 하드론 충돌기를 포함한 몇몇 과학 단체들은 현재 연구소에서 연구하기 위해 암흑 물질 입자를 생성하려고 노력하고 있다.

다른 과학자들은 암흑 물질의 영향이 우리의 중력 이론을 근본적으로 수정함으로써 설명될 수 있다고 생각한다. 그러한 생각에 따르면 중력은 여러 형태가 있으며 은하를 지배하는 큰 규모의 중력은 우리가 익숙해진 중력과 다르다.

팽창하는 우주

암흑에너지는 훨씬 더 신비롭고 1990년대에 발견된 암흑에너지는 과학자들에게 완전한 충격이었다. 그 이전에 물리학자들은 중력이 시간이 지남에 따라 우주의 팽창을 늦출 것이라고 가정했었다. 그러나 두 개의 독립 팀이 감속도를 측정하려고 했을 때 그들은 팽창 속도가 실제로 빨라지고 있다는 것을 발견했다. 한 과학자는 이 발견을 그들이 천장을 향해 곧장 날아오르는 것을 보기 위해 그들이 다시 떨어질 것을 기대하며 열쇠 세트를 공중으로 던지는 것에 비유했다.

과학자들은 현재 우주의 가속화된 팽창이 빈 공간에서 양자 변동에 의해 발생하는 일종의 반발력에 의해 움직인다고 생각한다. 게다가 그 힘은 우주가 팽창하면서 점점 더 강해지는 것처럼 보인다. 더 나은 이름이 없기 때문에 과학자들은 이 불가사의한 힘을 암흑 에너지라고 부른다.

과학자들은 암흑물질과는 달리 암흑에너지에 대한 그럴듯한 설명을 가지고 있지 않다. 한 아이디어에 따르면 암흑 에너지는 5분위수라고 불리는 다섯 번째이자 이전에는 알려지지 않았던 기본 힘의 한 종류로, 우주를 유체처럼 채운다고 한다. 많은 과학자들은 또한 암흑에너지의 알려진 성질은 알버트 아인슈타인이 정적 우주의 개념에 그의 방정식을 맞추기 위해 일반 상대성 이론에 추가한 수학적 반창고인 우주 상수와도 일치한다고 지적했다. 아인슈타인에 따르면 상수는 중력에 대항하여 우주가 스스로 붕괴되는 것을 막는 반발력이 될 것이다. 아인슈타인은 나중에 천문학적인 관측으로 우주가 팽창하고 있다는 것이 밝혀지자 그 생각을 버렸고, 우주론적 상수는 그의 가장 큰 실수라고 말했다.

우주의 팽창이 가속화되고 있다는 것을 알게 된 지금, 암흑 에너지를 우주 상수처럼 더하면 시공간이 어떻게 멀어지고 있는지를 깔끔하게 설명할 수 있다. 그러나 그 설명에 따르면 왜 이 이상한 힘이 애초에 존재하는지 여전히 풀리지 않은 수수께끼로 남아 있다.