재미있는 과학이야기 - 암흑 물질의 역할

재미있는 과학이야기 - 암흑 물질의 역할

우주에서 보이는 물체, 예를 들면 밝은 별이나 은하의 밀도는 가까운  은하의 수를 세거나 그 움직임을 측정함으로써 추측할 수 있다.

은하는 멀리 떨어진 은하에서 오는 빛의 파장의 변화(적색 이동이나 청색 이동)로 알 수 있듯이 은하단이라고 불리는 무리를 이루며 서로의 주위를 돌고 있다. 

그리고 바로 태양을 도는 지구의 속도에서 태양의 질량을 측정할 수 있듯이 은하단 내의 은하의 상대적인 속도에서 어느 만큼의 물질이 은하단에 포함되어 있는가를 추정할 수 있다. 이러한 증거를 모아 우주에는 대충 '임계' 밀도의 10분의 1의 물질이 있다고 우주론자는 보고 있다.

이 물질은 모두가 보이는 건 아니다. 은하의 '빛나는' 질량(밝은 별이나 가스)을 합계해도 기껏해야 임계 밀도의 1퍼센트에 지나지 않고, 은하를 결합시키는 데 필요하다고 여기는 양보다도 훨씬 적다는 것을 알 수 있다.

게다가 이야기는 이것으로 끝나지 않는다. 은하 간의 텅 빈 공간에도 암흑 물질이 있을지 모르기 때문이다. 이것은 우리의 관측과는 관계가 없지만 우주 전체에 걸친 팽창의 감속에는 공헌하고 있다. 

이러한 암흑 물질이 얼마나 있는지는 전문가의 논의의 대상이 되고 있는데 의견의 일치를 보지 못하고 있다. 확실한 것은 우주에는 임계밀도의 10배나 되는 물질은 없다는 것이다. 아마 2배라 해도 너무 많을 것이다.

우주의 전체적 팽창에 관한 연구는 이상의 추정치를  대체로 뒷받침하고 있다. 관측할 수 있는 가장 먼 은하로부터의 빛은 지구에 이르기까지 수십 억 년 걸린다. 따라서 그 점에서 아주 옛날의 팽창의 속도를 알 수 있다. 

그리고 멀리 떨어진 은하의 후퇴 속도와 가까운 은하의 그것과를 비교함으로써 팽창이 어느 정도의 비율로 감속하고 있는지, 또한 언제 팽창이 멎고, 역행하는지를 원리적으로 추정할 수 있다.

그러나 실제로는 우주는 '열림'과 '닫힘'의 경계 부근에 있다. 즉, 거의 평탄하다는 사실밖에 알지 못한다. 빅뱅으로부터 150억 년이 경과한 오늘날, 우주의 밀도는 평탄 우주에 대응하는 임계치의 10배 이내(10분의 1과 10배 사이)의 밀도인 것이다. 

우주가 팽창하는 동안에 이 밀도 계수는 임계치에서 점점 크게 벌어진다. 따라서 초기에는 임계치에 더욱 가까웠다는 결과가 된다.

우주 최초에 어느정도 임계치에 가까웠는지는 우주론의 방정식으로 간단히 계산할 수 있다. 그 결과로 보면 창조 1초 후, 우주는 1015의 정밀도까지 평탄했다. 다시 말해, 우주의 밀도의 임계치로부터의 차이는 소수점 뒤에 제로가 15개 온 다음에 1이 오는 정도였던 것이다. 

물리 법칙이 시간적으로 어느 정도 거슬러 올라가 적용할 수 있는지는 분명하지 않지만 양자 물리학으로 생각하면 시간이라는 것이 의미를 갖는 정밀도에는 임계가 있다. 이 한계인 플랑크 시간은 10^(-43)초이다.

오늘날 우주론 학자들은 소립자 물리 이론을 인용하여 이러한 타임 스케줄로 일어나는 양자적 현상에 의해 우주의 기원을 설명하려고 한다. 이러한 이론은 빅뱅의 표준적인 모델에 비하면 아직 확립된 것이라고는 할 수 없다.

가령 그 결론을 액면 그대로 받아들인다면, 우주는 '타임 제로' 후의 10^(-43)초 후부터 줄곧 팽창을 계속하고 있다고 생각해도 된다. 그러나 타임 제로와 10-43의 사이에 무슨 일이 일어났는지는 우리로서는 알 도리가 없다.

그 시작의 순간에 가능한 한 돌아가 생각하면 우주의 평탄성은 1060분의 1의 정밀도로 일치하고 있었다는 의미가 된다. 이 때문에 평탄성의 계수는 물리학 가운데서도 가장 정확하게 정해지는 숫자로 되어 있고 따라서 우주는 이 정도로 정확하게 조정되고 별과 은하와 생명체가 출현하기에 가장 적당한 상태가 되었다는 것을 알 수 있는 것이다.

만약에 이것이 정말로 단순한 우연이라고 하면 그 밖에 일어나는 어떤 우연도 하찮은 것이 된다. 원래 물리 법칙 가운데 우주가 완전히 평탄하다는 것을 요구하는 뭔가가 있다고 생각하는 것이 이치에 맞는 건지도 모른다. 결국 평탄성 때문에 임계 밀도는 유일하고 특별한 밀도로 되어 있다. 즉 다른 값으로는 아무런 우주론적인 의미가 없다.

우주는 정확히 임계 팽창율로 탄생해야만 했다고 생각하는 것이 때로 어떤 박자로 임계치의 1060 이내의 정확함에서 출발했다고 생각하는 것보다도 설득력이 있다. 

물리학자는 광자의 질량이 정확히 제로라는 입장에도 마찬가지 논의를 적용한다. 어떤 실험으로도 제로의 질량을 정확하게 측정할 수는 없다. 

실험으로 한계를 설정하고 질량은 10^(-58)그램 이하임에 틀림없다고 말하는 것이 고작이다. 그러나 우리는 어떤 경우에서도 흥미로운 수치에서의 차이는 원래 없는 것이라고 판단하고 있다.

실제로 평탄성을 우주에 필요한 특징이라고 여기는 몇 가지 논의가 있다. 이러한 모델은 인플레이션이라는 이름으로 불린다. 갓 태어난 극히 초기에(최초 1초보다 훨씬 짧은 시간에) 우주는 엄청난 속도로 팽창을 했다고 예상하는 것이다. 

그 팽창 속도는 양자보다 작은 공간이 약 10^(-35)초 동안에는 배구공 정도로까지 팽창하는 것에 해당된다. 급속한 가속 팽창, 다시 말해 인플레이션은 시공의 주름을 펴서 우주의 구조를 평탄하게 했을 것이다. 

그 구조는 마르고 쪼글쪼글한 대추가 주름 없는 매끈한 대추가 되는 것과 비슷하다. 이른바 시공의 주름이 인플레이션 사이에 늘어나서 매끄럽게 된 것이다.