인터뷰365 하정열 칼럼니스트 =  우주는 어떤 모양일까? 우주를 연구하면 할수록 더욱 궁금해진다. 얼개란 어떤 사물이나 조직의 전체를 이루는 짜임새나 구조를 말한다. 모든 시공간을 초월한 것처럼 보이는 우주도 아직 명확하게 확인된 것은 없지만, 나름 구조와 얼개가 있을 것으로 추정된다.

한때는 많은 과학자들이 우주공간이 아무것도 없는 진공으로 되어 있다고 믿었던 적이 있었다. 물론 우주는 지구상에서 살고 있는 우리의 감각으로 볼 때는 지금도 진공이라고 할 수 있다. 지구의 대기권 밖으로 조금만 나가도 어떤 기계장치로도 만들어 낼 수 없는 초진공 상태이다. 그런데 과연 별과 별 사이에는 아무 것도 없는 것일까?

우주는 일반물질, 암흑물질과 암흑에너지로 이루어져 있는 것으로 밝혀지고 있다. 그 중 우주에서 일반물질은 약 4% 정도를 차지하고 있는데, 단 0.5%만이 별처럼 고유한 빛을 발한다고 한다. 해와 같은 항성 즉 10해 개가 넘는 별들은 우주의 약 0.5%만을 차지하고 있을 뿐이다. 나머지 3.5%는 행성이나 암석, 먼지들처럼 차갑고 스스로 빛을 내지 않는 물질들로 이루어져 있다.

우주의 약 23%를 차지하는 중요한 구성 물질은 바로 암흑물질(暗黑物質, dark matter)이다. 이 물질은 중력을 통해서만 그 존재가 확인된다. 전문가들의 계산에 의하면 눈에 보이는 일반물질들의 중력만으로는 은하들을 함께 묶어 두기에 부족하다고 한다. 은하들 사이에는 접착제 역할을 하는 그 무엇이 바로 암흑물질이다.

일반물질 4%와 암흑 물질 23%를 뺀 나머지 73%는 무엇일까? 현재 우주는 그 안에서 물질들이 끊임없이 새로 만들어지고 있음에도 불구하고 계속 팽창하고 있으며, 심지어는 그 팽창속도가 더 빨라지고 있다. 이것은 우주 안에 있는 물질들의 중력을 모두 합친 것보다 더 큰 어떤 힘이 우주를 팽창시키고 있음을 의미한다. 이 힘을 암흑에너지라고 부른다.

우주를 구성하는 물질의 대부분이 차가운 암흑물질과 암흑에너지이기 때문에, 우주에 존재하는 물체나 구조들은 작은 구조들이 먼저 생기고, 시간이 지남에 따라 이들이 점진적으로 합쳐져서 큰 구조들이 생겨났다고 보는데, 이를 ‘계층적 구조형성(hierarchical structure formation)’이라고 한다.

표준우주론 등에 기반한 구조형성이론에 의하면, 은하군이나 은하단 같은 무겁고 은하들이 밀집되어 있는 구조들은 필라멘트 구조들이 서로 만나는 곳에 존재한다. 시간이 지남에 따라 이러한 필라멘트에 속한 물질들이 은하군이나 은하단으로 흘러들어가면서 필라멘트들이 가늘어진다.

우주는 은하군, 은하단, 초은하단 및 대규모 구조 등 다양한 구조를 가지고 있는데, 초은하단 이상의 큰 규모의 구조를 '우주 거대 구조'라고 부른다. 초은하단은 은하군과 은하단들이 무리를 지어 이루는 대규모 구조로, 은하단 간에 중력에 의해 결집되어 있지 않아, 은하단들이 서로 멀어지는 방향으로 움직이고 있다.

계층적 구조형성 이론에 의하면, 우주에 존재하는 은하들은 공간상에 고르게 분포되어 있는 것이 아니라, 은하들이 거의 존재하지 않는 빈터(void)나, 은하들이 밀집되어 있는 은하군이나 은하단과 같은 구조들이 존재한다. 그리고 은하단들은 필라멘트와 같은 구조로 서로 연결되어 있기도 하는데, 공간상의 큰 규모에서 이렇게 은하들이 분포된 것을 우주 거대 구조라고 부르는 것이다.

우주 거대 구조의 가장 밑바탕에는 우주에 존재하는 물질의 최소 단위가 존재하는데 일반적인 물리법칙이 적용되지 않는 양자역학의 범위에 속한다. 따라서 이러한 최소단위를 기반하는 우주의 얼개는 아직 확실히 규명되지 않았다.

하지만 일부 이론에 따르면, 우주의 얼개는 슈퍼스트링(초끈)이라고 불리는 초미세한 진동하는 선으로 이루어져 있을 수 있다고 가정한다. ‘슈퍼스트링 이론(초끈이론)’은 양자역학과 일반상대성이론을 통합하려는 시도 중 하나다. 슈퍼스트링은 다양한 모양과 크기를 가질 수 있으며, 그것들의 진동 방식에 따라 우리가 알고 있는 기본 입자들과 기본 힘들을 설명할 수 있을 것으로 알려지고 있다.

아직도 우리는 우주의 물질과 구조 및 얼개에 대해 정확히 모르는 가운데 하나씩 비밀의 뚜껑을 열어가고 있다. 이러한 연구는 금세기를 넘어 22세기까지 계속될 것이며, 어쩌면 우리 인간이 신의 영역을 넘어서는 일이 될 수 있을 것이다.

이러한 의미를 담아 그림 ‘우주의 얼개241501’를 그리고, 시 ‘우주의 얼개’를 지었다.

하정열 칼럼니스트

press@interview365.com

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