[하정열의 시·그림과 함께 떠나는 우주여행](31) 우주 암흑물질과 암흑에너지

인터뷰365 하정열 칼럼니스트 = 우리가 여행하는 도중에 본 하늘은 어둡다. 수많은 별과 은하수가 빛을 내지만 대부분의 하늘은 암흑천지다. 천자문의 첫 구절은 ‘하늘 천 땅 지 검을 현 누루 황’으로 시작한다. 하늘은 푸르다가 아니고 검다로 표현한다. 왜 밤하늘은 검은 것일까?

도플러효과에 따르면, 빛은 멀어질 때 빛의 파장이 길어져서 적색편이가 나타난다. 허블은 수십 개의 외부은하를 관측해 거리가 먼 은하일수록 적색편이가 더 크게 나타나는 것을 발견했다. 외부은하가 우리 은하로부터 멀어진다는 것을 의미한다. 우주는 빅뱅 이후 지속적으로 팽창하고 있는 동적인 존재다. 결론적으로 밤하늘이 까만 이유는 우주의 주성분이 암흑물질과 암흑에너지로 되어 있으며, 지속적인 우주팽창에 따라서 빛의 파장이 점점 길어져 우리 눈이 인식할 수 없는 적외선 영역으로 이동하기 때문이다.

우주가 어떤 물질로 이루어져 있는지 우리는 아직은 정확히 알지 못한다. 암흑물질과 암흑에너지가 96퍼센트 정도를 차지하고, 나머지는 통상 보통물질이라고 하는 별과 가스 등의 원자와 분자로 이루어졌다고 추정할뿐이다. 우주에서 보통물질은 약 4% 정도를 차지한다. 그 중에서 단 0.5%만이 별처럼 고유한 빛을 발한다. 별의 숫자가 10해 개가 넘고, 별 중에는 태양보다 100억 배 정도 큰 스티븐슨 2-18 등이 있으나, 그것이 차지하는 비중은 0.5%에 해당할 뿐이다. 나머지 3.5%는 행성이나 암석, 먼지, 가스들처럼 차갑고 스스로 빛을 내지 않는 물질들로 이루어져 있다.

우주의 약 23%를 차지하는 중요한 구성 물질이 있는데 이것이 바로 ‘암흑물질(dark matter)’이다. 과학이 발달한 지금도 이 물질은 중력을 통해서만 그 존재가 확인된다. 과학자들의 계산에 의하면 눈에 보이는 보통물질들의 인력만으로는 은하들을 함께 묶어 둘 수가 없다고 한다. 따라서 은하들 사이에는 접착제 역할을 하는 또 다른 무엇인가가 있어야만 한다는 의미이다. 바로 이것이 암흑물질이라고 볼 수 있다.

그런데 지금까지의 과학기술로는 암흑물질이 어떤 것인지, 도대체 무엇으로 이루어져 있는지 정확히 알 수는 없다. 이 물질이 ‘독특한 특성을 지닌 소립자’일 것이다라고 추측할뿐이다. 한가지 분명한 것은 암흑물질 없이는 우주가 존재할 수 없다는 점이다. 그리고 이런 물질 때문에 모든 별과 은하가 만들어졌을 것이라고 추정되고 있다.

보통물질 4%와 암흑물질 23%를 뺀 나머지 73%는 무엇일까? 바로 암흑에너지다. 우주는 안에서 물질들이 끊임없이 새로 만들어지고 있음에도 불구하고 계속 팽창하고 있으며, 심지어는 그 팽창속도가 더욱 빨라지고 있다. 이것은 우주 안에 있는 물질들의 중력을 모두 합친 것보다 더 큰 어떤 힘이 우주를 팽창시키고 있음을 의미한다. 이 힘을 ‘암흑에너지(dark energy)’라고 한다.

암흑에너지는 우주에 널리 퍼져 있으며 척력으로 작용해 우주를 가속 팽창시키는 역할을 하고 있다고 알려지고 있다. 우주 안에 있는 모든 물질들은 중력을 가지고 있기 때문에 만약 우주를 팽창시키는 암흑에너지가 없다면 우주 자체가 물질들의 중력에 의해 수축해야 한다는 것이다.

전문적인 용어로 표현하자면, 우주공간의 밀도가 일정 수준 이하일 경우 공간이 계속 팽창하여 절대영도에 수렴하는 것을 ‘빅 프리즈(Big Freeze)’, 우주공간이 과도한 팽창력으로 모든 것이 원자 단위로 산산조각으로 찢어지는 것을 ‘빅 립(Big Rip)’이라고 부른다. 우주공간이 일정 수준 이상의 밀도를 넘게 되면 그 시점부터 물질 간의 인력이 강해져 수축한다. 이 상태에서 모든 물질이 한 점에 모여 고열 우주로 돌아가는 것을 ‘빅 크런치(Big Crunch)’라고 한다. 빅뱅 직전 상태인 것이다. 우주는 지금 팽창단계로 언젠가는 빅 립을 거쳐 빅 크런치 상태가 되리라 추정하는 과학자들도 많다.

우리는 과학실험과 우주역학이론의 발전으로 우주의 역사와 본질에 대해 놀라울 정도로 많이 알게 되었지만, 아직도 우주의 96%는 무엇으로 구성되어 있는지, 그들의 역할이 무엇인지, 우주의 팽창이 언제 멈출 것인지, 그 이후는 어떻게 될 것인지에 대해 정확하게 알지 못한다. 만약 이를 발견하는 과학자가 있다면, 그는 노벨물리학상을 수상함은 물론, 우주과학 발전에 크나 큰 공헌을 하게 될 것이다.

그리고 인류가 암흑에너지를 활용할 수 있는 기술을 개발한다면, 광속보다 빠르게 우주여행을 할 수 있으며, 인류의 에너지문제를 영원히 해결할 수 있을 것이다. 우리는 언제쯤 이에 대한 답을 알아낼 수 있을까? 즉 우주지식의 공백상태가 언제나 해소될 수 있을까? 이러한 궁금증을 가지고 “우주 암흑물질과 암흑에너지221001P”란 그림을 그리고, “우주 암흑물질과 암흑에너지”란 시를 썼다.

우주의 얼굴없는 새까만 암흑물질과  
아름답게 찬란히 빛나는 보통물질은
서로를 보듬어 은밀한 사랑을 나누고

가늠할 수 없는 암흑에너지는 
별과 은하수를 밀고 당기며
이별의 눈물을 흘리게 하네

가녀린 빛과 칠흑의 어둠이 
삼라만상을 쓰다듬고 껴안아서 
우주의 질서와 조화를 이루는 
어둠의 신 호드의 영령이여

이름 모를 너의 정체가 밝혀지는 날
우리는 우주서사시 영웅을 바치리라

우주삼라만상의 비밀을 움켜쥔 절대자여!
천상의 암호를 풀고 있는 선지자여!