우리가 살고 있는 세상. 우리가 몸담고 있는 광활한 우주. 이러한 우주는 어떻게 탄생하게 되었을까?
우리는 어디서 왔으며, 어디로 가는가?
이러한 철학적인 질문들은 예나 지금이나 인류의 커다란 궁금증이자 숙제이다.
고대 그리스의 철학자들로부터 출발하여 불과 20세기 초까지만 해도 우리의 우주는 처음부터 존재했던 것이었고, 그 모습은 앞으로도 변함없는 정적인 상태일 것이라고 생각되어왔다.
천문학이 발전함에 따라, 우리가 알고자 하는 우주는 현대에 알려진 그 우주가 되었으며, 우리가 알 수 있는 우주는 그 전체의 질량과 에너지들 중 극히 일부분인 4.9%에 불과하다는 사실이 드러나게 되었다.
나머지 26.8%를 구성하는 것은 암흑물질(Dark matter)이라는 것이고, 나머지는 우주의 팽창과 수축에 관련이 있는 68.3%의 암흑에너지로 이루어져있다고 한다.
도대체 이 암흑물질이란 무엇인가?
무엇이길래 관측도 되지않으며, 존재 자체도 알 수 없음에도 불구하고 우주의 큰 구성요소를 차지하고 있다고 하는 걸까? 우리가 사는 지구가 태양을 중심으로 궤도 운동을 하고 있는 것처럼, 우리의 태양도 우리 은하 주변을 돌면서 움직이고 있다. 이러한 태양계 전체를 은하를 중심으로 회전시키고 있는 막대한 중력원은 바로 초대질량 블랙홀이라고 불리는 어마어마하게 커다란 질량을 지닌 천체인데, 추정되는 질량만 해도 태양의 질량의 약 1400억 배에 달할 것이라고 한다. 밤하늘에서 확인할 수 있는 궁수자리의 알파별이 바로 이 천체의 가장 유력 후보이다.
너무나 막강하고 막대한 중력 때문에, 주변에 있는 질량을 지닌 물질을 강하게 끌어들이고, 그들이 빛의 속도에 근접하게 가속하는 동안 맹렬하게 붕괴되며 강한 전자기파를 방출하게 되는데, 이것이 초대질량 블랙홀을 마치 별인 것처럼 보여주게 만드는 요인이다.
그런데 문제는 여기에서 발생한다.
이렇게 커다랗고 충분히 느리게 움직이는 규모에서는 뉴턴 법칙을 통해서 행성의 운동을 대략적으로 기술할 수 있기 때문에, 뉴턴의 만유인력 법칙을 이용해서 은하들의 회전 속도를 쉽게 유추할 수 있는 것이다.
그러나, 현대 천문 관측장비들을 이용해 실제로 행성들의 움직임 데이터를 모아 보면, 위의 뉴턴 법칙으로 유추했던 결과와 너무나도 상이한 결과가 나온다. 이는 이후 아인슈타인의 방정식을 쓴다고 해서 보정될 수 있는 수준이 아니었으며, 은하의 중심으로부터 멀어지면 당연히 중력의 영향이 적어져서 속도가 느려질 것이라고 생각했던 천체들의 움직임이 그 예상과는 아예 다르게 애초에 느려지지 않을 뿐만 아니라, 요동치기도 한다는 것이다.
우리 은하가 대표적으로 그런 모습을 보여주고있다. 도대체 왜 이런 현상이 나타나게 된 것일까?
그 이유를 우리는 아직 알 수 없다. 그러나 수집된 데이터를 통해 수학적으로 분석해보면, 한 존재에 관한 예측을 할 수가 있다. 그렇게 등장하게 된 개념이 바로 암흑물질이다.
먼저, 과학자들은 앞선 실제 우리은하 속 천체들의 회전 속도를 통해 질량을 계산하기 시작했었다. 이를 계산하면, 놀랍게도 우리가 볼 수 있는 은하 반지름 너머 무지막지하게 많은 양의 질량이 있어야 한다는 결과를 얻어낼 수 있다.
중력을 만들어내는 근원은 질량에 의한 시공간의 곡률이고, 그 곡률이 은하들을 적절하게 가속시키기 위해서는 보이지 않는 저 너머에 질량이 빼곡하게 가득 차 있어야 한다고 생각했던 것이다.
그러나 실제로 우리가 관측 가능했던 각종 천체 등의 물질을 놓고 보면, 우주 전체를 놓고 봤을 때 그 비율이 단지 4.9%뿐이 안 되는 것이었다. 즉, 우리가 관측할 수 있는 물질과 그 질량들만으로는 우주의 천체들의 움직임이 설명되지 않는 것이었다. 때문에 그 존재는 확실하지만, 눈에 보이지 않는 무언가를 '암흑물질'이라고 명명했던 것이다.
암흑물질이 존재할지도 모른다는 주장은 1933년 스위스의 천문학자 '츠비키'에 의해 처음 제시되었다. 우주에서는 볼 수만 있다면 존재한다. 그러나 여기서 본다는 것은 단지 눈으로 보는 것이 아닌, 어떠한 상호작용이 분명히 일어나고, 우리가 그 작용을 확인할 수만 있다면 그 역시 본다고 말할 수 있는 것이다.
암흑물질은 놀랍게도 중력과 상호작용을 했고, 눈에 보이지는 않지만 눈에 보이는 것들에 영향을 주며 우리는 그 광경을 목격할 수 있었기에 그 존재를 추측할 수 있었던 것이다. 더욱이 연구대상이 될 수도 있었던 것이다.
암흑물질로 추정되는 가장 유력한 관측 사례는 아인슈타인의중력렌즈 효과를 이용한 예측이다.
위 사진은 허블 우주망원경이 촬영한 Abell 1689 은하단이다. 퀘이사와 같은 매우 먼 광원으로부터 도달한 빛이 은하단같이 중력이 큰 천체를 지나치게 되면, 그 빛이 굴절되어 지구에서 관측될 수 있던 것이다. 그런데 이 빛의 굴절 값이 단지 은하에 속해있는 별들의 질량을 놓고 계산한 값과는 크게 상이했기에, 이 값들을 이용해 은하단에 속해있는 암흑물질을 추산할 수 있다고 한다.
그밖에도 우주에서 추가적으로 관측되고 있는 은하들의 이상 관측 사례와 X선 또는 감마선의 방출 사례, 그리고 그 밖에 일어나는 중력 이상현상들. 이러한 증거들은 암흑물질이라는 존재가 단순히 가시광선을 방출하지 않아서 우리 눈에 보이지 않는 존재가 아닌, 그 이상의 영향력을 끼치는 존재임을 암시하고 있다. 암흑 물질은 우리가 알고 있던 그 어떠한 물질도 아닐 가능성이 있다. 주로 중력을 매개하며 나머지 모든 것과 상호작용하는, 아직까지 발견되지 않은 전혀 다른 종류의 물질임이 분명할 것이라고 과학자들은 예견하고 있다.
이 암흑물질의 존재는 천체 운동 법칙이 절대 틀렸을 리 없다는 천문학자들의 생각 때문에 탄생한 가설의 성격을 어느 정도 띠고 있긴 하다. 천문학자 도널드 사리는 2015년 뉴턴 법칙이 은하 구조와 회전 곡선에 관한 이론에 잘못 적용되었을 가능성이 있다는 증거를 발견해냈는데, 도널드 사리가 지적한 모형을 크게 요약해보면, 두 가지로 나눌 수 있다.
하나는 모든 별들의 운동 궤도를 '원'으로 간주했다는 과정과, 다른 하나는 '별의 수프 모형'에 관한 의심이다.
은하의 움직임에 대한 모형을 만들어보게 되면, 뉴턴과 케플러의 법칙에 의해 별들의 움직임을 깔끔하게 유도해 낼 수 있는데, 결정적인 단점을 갖고 있었다. 바로 은하 껍질 부근에 존재하는 별들의 효과는 고려하지 않았다는 점이다. 3개 이상의 천체가 상호작용할 때 일어하는 복잡한 현상을 고려하지 않았다는 점과, 실제로 천체가 원 궤도로 운동하지 않을 수 있다는 한계를 가지고 있는 것이다.
과연 여러 시도들을 통해, 아직 인류가 한 번도 제대로 들여다보지 못한 이 암흑물질의 비밀을 해결할 수 있는 날이 오게 될까?
