과학은 질문을 하고, 이론을 만들어내고, 그 이론이 옳은지를 확인하기 위한 실험을 한다. 해답을 찾아내는 과정에서 익숙하지 않은 길을 헤매거나 우리의 한계를 뛰어넘는 일을 하고, 때로는 예상치 못했던 것을 발견하며, 이전에는 없던 새로운 기술을 만들어내기도 한다. 

우주는 어떻게 탄생하게 됐을까? 또 우주는 어떤 물질로 이루어져 있을까? 알면 알수록 점점 더 미궁 속으로 빠져들어 가는 우주를 함께 탐험해 보자. 

‘원자’ 다 합쳐도 전체 우주 물질의 4%에 불과 
우리 주변을 둘러보자. 지금 보고 있는 책, 우리가 앉아 있는 의자, 신고 있는 양말처럼 우리가 보고 만질 수 있는 것들은 모두 원자로 이루어졌다. 그리고 지구를 둘러싸고 있는 대기도 원자로 이루어졌다. 대기를 이루는 원자들이 태양 빛 중에서 주로 푸른빛만을 산란하기 때문에 하늘이 푸른색으로 보인다. 

태양과 태양계를 이루는 행성과 위성들 그리고 혜성과 소행성들도 모두 물질을 이루는 기본 재료인 작은 원자들로 이루어져 있다. 광대한 공간에 분포해 있는 수많은 별들과 은하 역시 원자로 이루어졌다. 

따라서 우리는 우주가 무엇으로 이루어졌느냐 하는 질문의 답을 이미 알고 있다고 생각할 수도 있다. 그러나 최근에 천문학자들은 놀라운 사실을 발견했다. 우리와 행성 그리고 별들을 이루고 있는 원자는 모두 합쳐도 우주를 구성하는 물질의 4%에 불과하다는 것이다. 

그렇다면 나머지 96%는 무엇일까? 이 ‘사라진 물질’을 찾는 것이 현대 물리학의 가장 중요한 과제 중 하나다. 

17세기 이래 우주의 크기와 모습을 알아내려고 애쓰던 과학자들은 어려운 문제에 봉착했다. 아이작 뉴턴(Isaac Newton)은 질량을 가지고 있는 물질은 다른 모든 물질을 끌어당긴다는 ‘중력 법칙’을 알아냈다. 우리가 지표면에서 떨어지지 않고 살아갈 수 있는 것은 지구와 우리 사이에 서로를 잡아당기는 중력이 작용하기 때문이다. 

그러나 우주의 모든 물체가 다른 물체를 잡아당긴다면 물체 사이의 거리는 점점 줄어들어 결국은 모든 물질이 한 점으로 모여야 한다. 하지만 그런 일은 일어나지 않고 있다. 

알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)이 일반상대성이론을 발표한 1915년까지도 이 문제는 해결되지 않고 있었다. 이 문제를 해결하기 위해 아인슈타인은 1917년, 그의 방정식에 중력에 대항하는 힘을 나타내는 항을 추가했다. 

우주의 모든 물체가 항상 같은 자리에 머물러 있다고 생각한 그는 우주를 정상상태로 유지하기 위해서는 중력에 대항하는 반중력이 필요하다고 생각한 것이다. 아인슈타인이 중력에 대항하는 힘을 나타내기 위해 도입한 항을 ‘우주상수(宇宙常數, cosmological constant)’라고 부른다. 

그러나 이후에 행한 관측을 통해 우주가 정상상태에 있지 않다는 것이 밝혀졌다. 

초신성으로 증명된 ‘우주 팽창’ 
1929년에 미국 천문학자 에드윈 허블(Edwin Hubble)은 천문학 역사상 가장 위대한 발견 중 하나인 우주가 팽창한다는 사실을 발견했다. 

허블은 많은 별들 그리고 먼지와 기체로 이루어진 은하의 속도와 거리를 조사하고 있었다. 그는 은하에서 오는 빛을 분석해서 은하까지의 거리와 은하가 다가오거나 멀어지는 속도를 측정할 수 있었다. 

은하가 우리로부터 멀어지면 은하에서 오는 스펙트럼의 파장이 긴 붉은색 쪽으로 이동하는 ‘적색편이’가 나타난다. 은하에서 오는 스펙트럼에 더 큰 적색편이가 나타난다는 것은 이 은하가 더 빠른 속도로 멀어지고 있음을 뜻한다. 

은하까지의 거리와 은하가 멀어지는 속도에 대한 허블의 발견은 물리학계에 큰 충격을 주었다. 은하까지의 거리가 멀면 멀수록 은하가 우리로부터 멀어지는 속도가 더 빠르다는 것은 우주가 팽창하고 있음을 보여주는 것기 때문이다. 

허블의 발견으로 우주가 정상상태가 아니라 팽창하고 있다는 것을 알게 된 아인슈타인은 우주상수를 도입한 것이 자신의 가장 ‘큰 실수(失手)’였다고 말했다. 

“우주에도 ‘시작’이 있겠구나” 
우주가 팽창한다는 사실은 곧 새로운 문제 제기로 이어졌다. 시간이 지나면서 우주가 점점 더 커지고 있다면, 과거에는 오늘날보다 더 작았어야 하고, 모든 은하와 은하에 포함된 물질이 아주 가까이 있어야 한다. 

따라서 아주 먼 옛날 특정 시점에는 우주를 구성하는 모든 물질이 한 점에 모여 있어야 한다. 다시 말해 우주도 시작이 있어야 한다는 것이다. 

천문학자들은 우주의 시작을 ‘빅뱅’이라 부르고 물리법칙을 이용한 수학적 계산과 관측 결과를 이용해 137억 년 전에 빅뱅이 있었다는 것을 알아냈다. 오랫동안 천문학자들은 우주를 이루는 물체들 사이에 작용하는 중력이 브레이크 역할을 해 우주의 팽창 속도가 점차 줄어들고 있을 것이라고 생각했다. 

그런데 우주에 대한 이런 기본적인 상식은 1998년에 다시 한 번 뒤집어졌다. 

1980년대 후반에 두 팀의 천문학자들이 우주의 역사를 통해 우주 팽창 속도가 어떻게 변해왔는지를 연구했다. 그들은 우주에서 가장 밝은 현상 중 하나인 ‘Ia형 초신성’을 조사했다. 이런 형태의 초신성 폭발은 두 별이 연성을 이루어 같은 질량 중심을 돌고 있고 그중 한 별이 이미 죽은 별일 때 발생한다. 

백색왜성이라고 부르는, 밀도가 높은 죽은 별의 핵이 동반성에서 물질을 끌어들이면 점점 질량이 증가한다. 그러다가 태양 질량의 1.4배 정도인 특정한 크기에 도달하게 되면 자체 중력을 견디지 못하고 폭발한다. 

이런 초신성들은 항상 태양 질량의 1.4배인 같은 연료를 이용해 폭발하기 때문에 밝기가 같다. 그러나 초신성의 겉보기 밝기는 지구에서의 거리에 따라 달라지므로 그 밝기를 측정하면 초신성까지의 거리를 알 수 있다. Ia형 초신성은 매우 밝기 때문에 우주에서 관측 가능한 가장 먼 거리의 75%까지 관측하는 데 이용할 수 있다. 

빛이 우주를 가로질러 달리는 데는 시간이 걸리기 때문에 더 먼 곳에 있는 초신성은 더 먼 과거에 대한 정보를 전달해 준다. 따라서 천문학자들은 이런 초신성을 포함한 은하에서 오는 스펙트럼의 적색편이를 측정해 우주의 과거를 들여다볼 수 있고, 초신성이 폭발한 시점의 팽창 속도를 알 수 있다. 

Ia형 초신성을 연구한 두 팀은 1998년에 우주의 팽창이 느려지는 것이 아니라 빨라지고 있다는 같은 결론에 도달했다. 그들의 측정 결과에 의하면, 우주는 50억 년 전에서 70억 년 전 사이에 팽창 속도가 느려지는 감속 단계가 끝나고 그 후에는 빨라지기 시작했다. 

이 발견으로 미국의 천문학자 솔 펄머터(Saul Perlmutter), 브라이언 슈밋(Brian Schmidt) 그리고 애덤 라이스(Adam Reiss)는 2011년 노벨 물리학상을 공동 수상했다. 

우주 팽창 속도 높이는 반중력 ‘암흑에너지’ 
우주의 팽창이 빨라지고 있다는 것은 무엇인가가 ‘반중력’으로 작용해 우주를 더 멀리 밀어내고 있음을 뜻한다. 이 신비스러운 힘의 정체에 대해서는 아직 정확히 알려지지 않아 ‘암흑에너지’라 부르고 있다. 

암흑에너지의 정체에 대해서는 거의 알아낸 것이 없지만 천문학자들은 은하들이 멀어지고 있는 속도를 측정해 현재 우주에 존재하는 암흑에너지의 양을 추정해냈다. 이러한 추정에 의하면 우주에 존재하는 암흑에너지의 총량은 우주 전체 질량의 75%나 된다. 

그렇다면 암흑에너지는 어떻게 중력에 대항하고 있는 걸까? 놀라운 가능성 중 하나는 공간 자체가 그런 에너지를 제공하고 있다는 것이다. 

물리학자들은 아무것도 없는 빈 공간은 존재하지 않는다는 것을 이미 알고 있다. 진공 안에도 에너지 요동이 존재한다. 그리고 공간은 우주 전체에 퍼져 있고 따라서 ‘진공에너지’도 우주 전체에 퍼져있다. 그러나 진공에너지는 우리에게 익숙하지 않은
이상한 성질을 가지고 있다.

물리법칙에 의하면 진공은 항상 일정한 양의 에너지를 가지고 있어야 반중력 효과에 의해 균형을 유지할 수 있다. 따라서 우주가 얼마나 많이 팽창했느냐에 관계없이 일정한 부피의 진공은 항상 같은 양의 에너지를 가지고 있어야 한다. 

아마도 우주를 가속시키고 있는 암흑에너지는 이런 방법으로 일정하게 유지되는 진공에너지의 반발효과에 의한 것일 가능성이 있다. 

*자료 제공 | 빅퀘스천 과학 (헤일리 버치 외 2인 지음 / 지브레인 만듦) 

*에듀진 기사 URL: http://www.edujin.co.kr/news/articleView.html?idxno=41207
기사 이동 시 본 기사 URL을 반드시 기재해 주시기 바랍니다.  

* 대입 성공의 길 알려주는 '나침반36.5' 매거진 정기구독 이벤트 [배너 클릭]