우주를 형성하는 수수께끼의 초물질 '암흑물질(Dark matter)'이란?

우주를 형성하는 수수께끼의 초물질 '암흑물질(Dark matter)'이란?

인간이 우주에 대해 알고 있는 것은 실제로 우주를 구성하는 여러 요소의 극히 일부에 불과한다. 미지의 에너지나 물질이 우주에는 넘치고 있는 것이지만, 우주의 약 25%는 「암흑물질(Dark matter)」이라고 하는 수수께끼의 물질로 알려져 있다. 

BBC-Earth-What is our Universe made of?
http://www.bbc.com/earth/story/20150824-what-is-the-universe-made-of

만약 외계인이 존재하고 있어 인간이 사는 은하계에 왔다고 해도, 인류를 깨닫지 못한 채 지나가 버릴 가능성은 있다. 우주는 광대하고, 그 속에 떠 있는 행성은 매우 작고, 비유하자면 지구는 작은 푸른 점과 같은 것이다. 그래서 외계인이 작은 점 중 하나에 불과한 지구나 그 주위를 빙글빙글 돌고 있는 달을 깨닫지 못했다고 해도 이상하지 않다. 또 우주공간에는 대량의 스페이스 데블리가 떠 있기 때문에 그 안에서 인간이 살고 있는 지구를 핀포인트로 찾아낸다는 것도 매우 어려운 일이다. 그러나 여기에 열거한 사실조차 우주를 구성하는 요소의 극히 일부에 불과하고 나머지 요소는 지금까지 아무도 본 적이 없는 에너지이거나 물질이 차지하고 있다. 

인간이 눈으로 볼 수 있는 물질, 예를 들어 몸과 집, 자동차, 지구에 이르기까지 모든 것은 '원자'로 이루어져 있다. 이 원자는 '양자'와 '중성자'라는 2개의 입자로 구성되어 있어 원자의 대부분은 더욱 미세한 입자로 분해할 수도 있다. 

물질을 구성하는 단위인 원자의 존재를 인간이 깨달은 것은 20세기 초의 일로, 처음에는 「우주에 존재하는 모든 물질의 주성분을 발견했다」라고 생각했다. 그러나 1933년 스위스 천문학자 프리츠 츠비키(Fritz Zwicky, 1898.2.14.~1974.2.8)가 "우주의 대부분은 뭔가 다른 것으로 형성되고 있다"며 처음으로 암흑물질의 존재를 주장하면서 우주에 존재하는 모든 물질이 원자로 구성되어 있다는 생각을 부정한다. 

츠비키는 은하단 안에 있는 각 은하의 밝기를 측정함으로써 별 하나의 밝기와 질량을 계산했다. 그리고 계산결과 관측 가능한 물질만으로는 은하를 형성하기에 충분한 중력을 얻을 수 없음을 발견한다. 또한 은하가 고속 회전을 하고 있는 것도 관측하였다. 

이런 점에서 츠비키는 관측할 수 없지만 은하를 한데 묶어둘 정도로 강력한 인력을 가진 무언가가 존재한다는 것을 확신한다. 츠비키는 이 미지의 물질이 'dark(다크)'라고 증언했다고 하는데, 당시 과학자나 천문학자들은 그 주장을 인정하지 않고 그를 기괴한 사람으로 취급했다고 한다. 

1970년대까지 츠비키의 주장은 거의 잊혀진 채로 남아 있었는데, 천문학자 벨라 루빈이 지구에서 가까운 곳에 있는 은하들이 제대로 회전하지 않는 것을 발견, 이는 '은하의 회전곡선 문제'라고 불리게 된다. 

태양계에서는 아주 단순한 룰이 적용되고 있는데, 그것은 "태양에서 먼 곳에 떠 있는 행성들은 중력이 약해지고 행성이 매우 느리게 움직이면서 그 궤도가 매우 길어진다"는 것이다. 같은 이론이 다른 은하에 있는 행성 궤도에도 해당되며 중심에서 가장 멀리 떨어진 곳에 있는 별은 중력이 약해져 천천히 움직인다고 생각했다. 

하지만 루빈이 발견한 은하에서는 중심에서 가장 멀리 떨어진 곳에 있는 별들이 다른 별들만큼이나 빠르게 움직이고 있었다. 이런 속도로 회전하려면 별이 은하에서 튀어나오지 않도록 어떤 힘이 작용하고 있다고 생각할 수밖에 없고, 이 '어떤 힘'의 정체야말로 암흑물질(Dark matter)가 아닐까 추측했다. 그리고 암흑물질(Dark matter)의 존재를 인정하게 된다. 그리고 현재 대부분의 천문학자들이 우주를 형성하는 것의 기초는 암흑물질라고 생각한다. 

암흑물질는 우리가 그것을 직접 눈으로 볼 수는 없지만 거기에 존재한다는 것은 알고 있다는 점에서 바람을 닮았다고 비유할 수 있다. 그런 암흑물질는 우주의 25%를 구성하는 물질로 여겨지고 있으며, 때로는 80%가 암흑물질로 구성되어 있는 것이 아닌가 한다. 또한 우주를 구성하는 요소의 30%는 물질(5%가 인간이 인식하고 있는 원자로 이루어진 물질이고 나머지 25%가 암흑물질)이며 나머지는 암흑 에너지(다크 에너지)라고 생각하고 있다. 

1980년대까지 암흑물질이 존재한다는 것을 보여주는 증거가 되는 데이터는 여러 개 모였다. 예를 들어 1981년 하버드 대학의 마크 데이비스 박사가 이끄는 연구팀이 최초의 은하 조사를 했고, 그 조사 속에서 은하는 일정한 형태에 머물지 않는 것으로 밝혀졌다. 그리고 은하는 수십만의 은하끼리 거대한 덩어리처럼 모여 거미줄처럼 거대한 구조를 하고 있는 것도 밝혀져, 이 은하끼리 연결시키고 있는 것이 다크매터라고 생각할 수 있게 되었다. 

또 1980년 VA 류비모프 박사가 이끄는 러시아 연구팀이 다른 무엇과도 상호작용하지 않는 유령 같은 입자인 중성미자가 '암흑물질의 구성입자'라고 주장한다. 류비모프 박사의 설명은 "우주에 존재하는 모든 중성미자가 결합돼 있다면 암흑물질의 존재를 설명할 수 있을 수도 있다"는 것이다. 하지만 여기에는 문제가 있었다. 바로 암흑물질가 중성미자로 구성되어 있다면 중성미자는 빛을 발하고 빠르게 움직이기 때문에 암흑물질가 '뜨거워진다'는 점이다. 

프랭크 박사가 뜨거운 암흑물질이 우주에 존재하는 경우를 시뮬레이트 한 결과 현재의 우주처럼 되지 않는 것으로 밝혀됐다. 프랭크 박사는 이에 대해 우리를 몹시 실망시킨 것은 현실의 우주에는 뜨거운 암흑물질가 존재하지 않는다는 것을 알게 된 것이라고 말했다. 여기서 콜드 암흑물질(차가운 암흑물질)라는 말이 탄생하였다. 

인간은 암흑물질를 직접 볼 수 없지만 암흑물질이 가진 '빛을 구부린다'는 성질에서 그 존재를 인식할 수는 있다. 이 현상은 수영장에 꽂힌 빛이 굴절되는 현상과 조금 비슷해 '중력렌즈 효과'라고 한다. 이 기술을 응용해 과학자들은 우주 어디에 암흑물질가 존재하는지를 보여주는 지도를 만들고 있다. 또 이 팀은 우주의 8분의 1을 매핑하겠다는 야망도 가지고 있다고 한다. 

그리고 지구가 있는 은하수 은하에만 몇십억이라고 하는 별이 존재하고 있어 우주의 8분의 1을 매핑한다고 하는 것은 수백만이라고 하는 은하를 망라하게 된다고 한다. 

이만큼 다양한 정보가 존재함에도 불구하고 인간은 암흑물질에 관해 '대부분의 개요 정도밖에 이해하지 못하고 있다'고 생각하고 있고, 실제로 어떤 물질인지는 전혀 알지 못하고 있다. 몇 가지 주장이 있지만, 현재 가장 대중적인 생각은, 「암흑물질는 신종 입자로 구성되어 있어 이론에서는 예측할 수 있지만 아직 검증되지 않았다」라고 하는 것이다. 이 신종 입자는 'Weakly Interacting Massive Particles(상호작용이 약한 유한 질량의 입자)', 줄여서 WIMPs라고 한다. 

WIMPs는 간신히 상호작용하는 입자로 일반 물질과의 작용도 약한 것으로 생각된다. 예를 들어 벽에 부딪힐 때 손이 이 WIMPs에 부딪혔다고 하면 WIMPs 입자는 손 혹은 벽을 빠져나간다는 특성을 가지고 있다는 것이다. 게다가 WIMPs는 대량으로 존재함에도 불구하고 반드시 크다고는 할 수 없다. 그래서 양성자의 수백 배나 수천 배나 무거워질 수 있다는 것이다. 특히 중요한 특성으로는 인간이 인식할 수 없다는 점을 들 수 있다. 

이 WIMPs에 연구가 깊은 노팅엄대학의 앤 그린 교수는, 「WIMPs는 맨 처음에 「눈에 보이지 않는 물질이다」라고 정의되어 현재는 「이것들은 검증 불가능한 신종 물질로 구성되어 있다」라고 정의되어 있다. 이것은 바보다」라고 이야기하고 있다. 

1983년까지 거슬러 올라가면 몇몇 물리학자는 암흑물질이 존재하지 않는다고 주장했고, 이는 만유인력의 법칙이 잘못됐기 때문이라고 지적했다. 그리고 만유인력의 법칙이 잘못되었기 때문에 은하가 기묘한 것이 되어 버렸다고까지 주장했다고 한다. 이 생각은 'Modified Newtonian Dynamics(수정 뉴턴 역학)' 줄여서 MOND라고 하는 것으로, '중력의 법칙이 잘못되었기 때문에 정체를 알 수 없는 물질을 정의해야 한다'고 하는 것이다. 

이 생각의 문제점은 암흑물질 대신으로 생각할 수 있는 것은 아니라는 점이다. 중력에 관한 새로운 법칙을 주창하고 싶다면 아인슈타인보다 더 잘 모든 현상을 설명할 필요가 있고, 더 나아가 암흑물질에 관해서도 마찬가지로 설명할 필요가 있기 때문에 이것이 매우 어렵다는 것은 명백한다. 

2006년 NASA는 한 사진을 공개했다. 이 사진에는 두 개의 거대한 은하단이 충돌하고 있는 모습이 담겨 있어 중력이 존재한다고 생각되는 중심부에서는 대부분의 물질을 명확하게 육안할 수 있도록 되어 있었다. 하지만 이 사진의 외연부에서는 빛이 중력에 의해 뒤틀려져 있어 "이것은 무엇인가 미지의 물질이 존재하며 이것이 빛을 비틀고 있다"는 것을 보여준다. 즉, 이 사진은 암흑물질의 존재를 직접 증명하는 것이라 하여 암흑물질을 믿는 과학자들과 천문학자들로부터 크게 환영을 받았다는 것이다. 

실제로 암흑물질를 인식하기 위한 방법은 3가지가 있다고 한다. 하나는 우주상에서 암흑물질의 작용을 관찰하는 것이다. 암흑물질이 어디에 존재하는지를 보여준 지도를 사용해 천문학자들은 암흑물질이 충돌하는 타이밍을 이제 모니터링하는 셈이다. 설명한 대로 암흑물질는 일반 물질을 통과해 버리는 것이지만, 수천 개의 물질을 통과하다 보면 매우 드물게 원자핵과 충돌하는 경우가 있다. 이때 원자핵은 수영장 위에 뜬 공이 차였을 때처럼 튀어 올라 고에너지 감마선이 생성되기 때문에 이를 관측한다는 것이다. 

2014년에는 NASA의 페르미 감마선 우주 망원경 데이터를 이용해 암흑물질와 원자핵 충돌로 발생한 감마선을 감지했다고 연구자들이 주장하기도 했다. 이 연구에서는 은하계에서 불타는 것처럼 빛나는 감마선은 아마도 암흑물질와 원자핵이 충돌하면서 생겨난 것이라고 주장했다. 이것은 논리 모델로서 이치에 맞는 것이기는 했지만, 감마선이 암흑물질로부터 발생한 것인지 아닌지를 설명하기에는 이르지 않았다고 한다. 

또, 암흑물질를 인식하기 위한 비슷한 방법으로서 「암흑물질 끼리의 충돌을 검증한다」라고 하는 것이 있다. 영국 더럼대학에서 근무하는 리처드 매시 교수 연구팀은 두 은하가 격렬하게 부딪치는 순간을 관측했다. 연구팀은 은하에 존재하는 모든 암흑물질가 모든 것을 뚫고 나갈 것이라고 생각했지만 실제로는 몇몇 물체가 감속한 것을 관측할 수 있었다고 한다. 이는 암흑물질끼리 충돌했음을 보여준다는 것이다. 

그러나, 「우주상에서 암흑물질의 작용을 관찰하는 것」과「암흑물질끼리의 충돌을 검증하는 것」에는 난점이 있다. 그것은 은하 크기의 암흑물질검출에 관한 데이터는 너무 거대하다는 점이다. 

암흑물질를 인식하기 위한 보다 현실적인 방법으로 물리학자들은 스위스 제네바에 CERN이 건조한 대형 하드론 충돌형 가속기(LHC)에 기대하고 있다. LHC는 빛에 가까운 속도까지 가속시킨 양성자끼리 부딪힘으로써 고에너지 소립자 반응을 일으키는 것이 가능한 장치이다. 즉, LHC를 사용하면 아원자의 잔해를 조사할 수 있게 된다는 것이다. 

이 LHC를 사용한 실험과정에서 WIMPs 같은 미지의 입자를 발견할 수 있을 수도 있다고 말하는 사람은 킹스칼리지 런던의 말콤 페어벤 교수다. 페어벤 교수는 만약 WIMPs가 암흑물질를 구성하고 있으며 LHC를 사용해 이를 탐지할 수 있었다면 우주를 구성하는 암흑물질이 무엇으로 만들어졌는지 알 수 있는 절호의 기회가 될 것이라고 말했다. 

하지만 당연하게도 WIMPs가 암흑물질의 구성 물질이 아니라면 LHC를 사용해 암흑물질을 탐지할 수 없다. 또한 LHC가 암흑물질을 생성할 수 있었다고 해도 검지기(검사하여 알아내는 기기)에 그것이 걸리지 않다. "대신 시스템은 한 방향으로 움직이는 입자 모임을 감지할지 모르지만 다른 것은 아무것도 감지하지 않을 것이다."라고 페어벤 교수는 말한다. 

그리고 암흑물질을 인식하기 위한 세 번째 방법이라는 것이 '땅속으로의 모험'이다. 수십억 개의 암흑물질 입자가 항상 우리 세계를 빠져나가고 있으며 그것은 당신의 방이나 직장에도 존재한다. 이것들은 초간 수십억의 속도로 당신의 몸을 통과하고 있지만, 당신은 아무것도 느낄 수 없」라고 프랭크 박사는 말한다. 

이론상, 만약 암흑물질와 원자핵이 충돌하고 있다면, 방출되는 감마선의 빛은 검출할 수 있을 것이다. 문제는 방사선이나 우주선 등 기타 에너지도 암흑물질처럼 물질을 빠져나간다는 점이다. 

거기서 중요해지는 것이 지하 실험인 셈이다. 바위는 대부분의 방사선을 차단하지만 아마 암흑물질은 이를 빠져나갈 수 있다. 그래서 지하 실험이 암흑물질와 원자핵의 충돌을 감지하는 데에는 적합할지도 모르는 것이다. 

하지만 아직까지 대부분의 물리학자가 아무런 반응을 검출하지 못했고 2015년 8월 이탈리아 암흑물질 검출 프로젝트 '자이엔온'이 공개한 논문에서도 암흑물질 탐지에 성공하지 못한 것으로 밝혀졌다. 

LHC 혹은 지하 실험에서 처음으로 암흑물질을 검출하는 것에 성공할 가능성은 충분히 있다. 그러나 한 곳에서 암흑물질를 찾아내는 것만으로는 충분하지 않다고 해 페어벤 교수는 결국 우리는 연구소에서 관찰하고 있는 것처럼 우주에서도 암흑물질를 검출할 수 있는 방법을 찾아내야 한다라고 말하고 있다. 

츠비키가 암흑물질의 존재를 시사한 지 80년이 지났지만 현재로선 인간은 암흑물질를 검출할 수도 샘플로 채취할 수도 없다. 이것은, 인간이 우주를 완벽하게 이해하려면 아직 멀다고 하는 것을 단적으로 알려주는 지표일지도 모른다. 

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