[사이언스] 암흑 물질 vs 암흑 에너지, 헷갈리지 말아주세요 제발…

[비즈한국] 우리 우주를 구성하는 가장 주요한 존재, 암흑 물질과 암흑 에너지. 그런데 굉장히 많은 사람들이 이 둘을 혼동한다. 둘 다 이름에 암흑이 들어가다보니, 둘을 구분없이 섞어서 쓰는 듯하다. 하지만 암흑 물질과 암흑 에너지는 완전히 다른 개념이다. 우주 진화 과정에서 하는 역할도 정반대다. 헷갈리기 쉬운 암흑 물질과 암흑 에너지를 제대로 소개한다. 

암흑 물질과 암흑 에너지는 이름은 비슷하지만 완전 다른 개념이다! 둘은 어떤 차이가 있을까? 어떻게 구분할까?

#우선 암흑 물질부터!

은하의 질량은 어떻게 잴 수 있을까? 은하를 저울 위에 올릴 수는 없다. 대신 천문학자들은 크게 두 가지 방법으로 은하의 질량을 구한다. 우선, 은하가 얼마나 밝은지 전체 밝기를 보고 별들이 얼마나 많이 모여 있는지를 파악하는 방법이 있다. 마치 샹들리에 전체 밝기를 보고 대략 전구가 몇 개가 있는지를 파악하는 것과 같다. 이렇게 추정한 질량을 밝기 질량, 광도 질량이라고 한다. 

또 다른 방법으로는 은하의 중력에 붙잡혀 궤도를 돌고 있는 은하 속 별의 움직임을 관측하는 것이다. 각 별이 얼마나 빠르게 궤도를 돌고 있는지를 보면, 그 별을 붙잡고 있는 은하 전체의 중력을 파악할 수 있다. 그리고 그 정도의 중력을 행사하기 위해서 필요한 은하의 전체 질량도 파악할 수 있다. 이렇게 구한 질량을 중력 질량, 역학적 질량이라고 부른다. 

얼핏 생각하면, 동일한 은하의 광도 질량과 역학적 질량은 같아야 한다. 방법만 다를 뿐 똑같은 은하의 질량을 잰 것이니 말이다. 하지만 실제 우주에선 당황스러운 일이 벌어진다. 분명 똑같은 은하의 질량을 방법만 달리해서 잰 것인데, 두 값이 너무나 다르다. 평균적으로 은하의 광도 질량에 비해 역학적 질량이 4~5배 더 무겁다! 

이것은 빛을 내지 않는 어둠의 질량이 존재한다는 것을 의미한다. 그리 무거워 보이지 않는데 저울 위에 올려보면 무게가 엄청 나가는, 마른 비만과 같은 느낌이다. 은하의 밝기만으론 알 수 없는, 은하 속 내장 지방과 같은 이 미지의 질량을 암흑 물질이라고 한다. 암흑 물질은 빛을 발하지도 흡수하지도 않는다. 오직 중력으로만 그 존재를 알 수 있다. 

암흑 물질의 단서를 처음 발견한 건 1930년대 천문학자 츠비키였다. 그는 3억 광년 거리에 떨어진 머리털자리 은하단 속 은하들의 움직임을 관측했는데 놀랍게도 은하단 속 은하들이 너무 빠르게 싸돌아다니고 있었다. 그렇게 빠른 속도라면 진작에 은하단의 중력을 벗어나 은하들이 멀리 날아가버렸어야 했다. 겉으로 봤을 때 보이는 은하단 속 은하들의 질량만 가지곤 그 빠른 은하들을 붙잡는 강한 중력을 설명할 수 없었다. 이 모순을 설명하기 위해 당시 츠비키는 ‘눈에 보이지 않는 질량(Invisible matter)’이 있을 가능성을 제시했다. 

1970년 천문학자 베라 루빈은 250만 광년 거리에 있는 안드로메다 은하를 연구하면서 보이지 않는 질량의 또 다른 증거를 발견했다. 마찬가지로 안드로메다 은하 속 별들이 너무나 빠르게 궤도를 돌고 있었다. 특히 은하 외곽의 별들이 도는 속도가 너무 빨랐다. 이미 오래전에 안드로메다 중력을 벗어나 멀리 날아가버렸어야 할 정도였다. 하지만 별들이 날아가지 않고 지금껏 은하 중력에 붙잡혀 있다는 건, 안드로메다의 전체 중력이 겉보기보다 훨씬 강하다는 뜻이었다. 즉, 겉으로 보이는 광도 질량보다 중력을 행사하는 역학적 질량이 월등히 무겁다는 것이다. 이렇게 베라 루빈은 앞서 츠비키가 제안한 보이지 않는 질량의 또다른 증거를 제시하며 ‘암흑 물질’이라는 개념을 정립했다.

일부 물리학자들은 암흑 물질 대신 전혀 다른 방식의 대안을 제시한다. 아인슈타인이 정립한 오늘날의 상대성 이론은 거리 스케일에 상관없이 중력이 똑같은 방식으로 작용한다고 이야기한다. (물론 아직까진 큰 문제 없이 잘 적용되고 있다.) 그런데 일부에선 거리 스케일에 따라 중력이 작용하는 효율이 다를 수 있다고 지적한다. 단순히 거리 제곱에 반비례해서 중력이 작용하는 것이 아니다는 것이다. 이를테면 거리가 아주 가까운 경우엔 거리의 제곱에 반비례하고, 더 거리가 멀어지면 단순히 거리의 1제곱에 반비례하는 식이다. 이를 ‘수정 뉴턴 역학 MOND’라고 부른다. 

최근엔 이 MOND 가설을 적용해서, 암흑 물질을 추가하지 않고서 은하 속을 맴도는 별들의 회전 곡선을 꽤 잘 설명하는 성과도 있었다. MOND도 물론 흥미로운 수학적 실험이긴 하지만, 아직은 암흑 물질이 완벽히 부정당했다고 보긴 많이 어렵다. 

특히 현존하는 MOND만으로는 암흑 물질의 존재를 뒷받침하는 관측적 증거를 전부 설명하지 못한다. 대표적으로 암흑 물질을 품고 있는 육중한 은하단 주변에 왜곡된 시공간을 따라 만들어지는 빛의 신기루, 중력렌즈 현상이 있다. 그리고 별과 가스, 암흑 물질을 모두 머금은 두 은하단이 빠르게 정면 충돌하면서 암흑 물질이 멀리 벗겨져 날아가는 은하단끼리의 충돌 현장이 있다. 

지난 칼럼에서 소개한 총알 은하단은 중력 렌즈로 파악한 중력의 분포와 전파, 엑스선 관측으로 파악한 가스 물질의 분포를 보면 크게 어긋나 있다. 이런 충돌 중인 은하단의 모습은, 다른 일반적인 물질과는 전자기적 상호작용을 일체 하지 않고, 오직 중력으로만 상호작용하는 미지의 물질이 추가로 존재한다는 가장 확실한 증거가 된다. 

#중간 정리

겉으로 보이는 별과 가스 물질만으로는 설명할 수 없는 은하와 은하단의 지나치게 강한 중력을 설명하기 위해 암흑 물질이 도입되었다. 이후 암흑 물질 없이 부족한 중력을 설명하려는 MOND와 같은 수학적 시도들이 있었으나, 아직은 학계에서 인정을 받지 못했다. 중력렌즈, 충돌 중인 은하단 등의 모습은 암흑 물질이 실재한다는 증거로 활용된다. 

#그럼 암흑 에너지는? 

암흑 물질과 반대로 암흑 에너지는 우주를 팽창시키는 반중력 에너지다. 1998년 천문학자 솔 퍼머터와 브라이언 슈미트의 연구팀은 각자 독립적으로 놀라운 사실을 발견했다. 빅뱅 이후 꾸준히 같은 속도로 진행되고 있을 거라 생각한 우주의 팽창이 갑자기 점점 빨라지는 가속 팽창을 하고 있다는 것이었다. 

당시 이들은 아주 먼 우주의 은하까지의 거리를 정확히 재기 위해서 Ia형 초신성을 활용했다. 초신성은 육중한 별이 폭발하는 우주에서 가장 강력한 섬광 중 하나다. 그 밝기 덕분에 아주 먼 거리에서도 쉽게 발견할 수 있다. 특히 Ia형 초신성은 별 두 개가 함께 맞붙어 돌고 있는 쌍성에서 만들어진다. 둘 중 더 빠르게 진화한 별은 거성 단계를 거쳐 외곽층을 모두 날려버린다. 이후 이 별은 뜨겁고 작은 찌꺼기 별, 백색왜성이 된다. 이후 다시 시간이 지나면 남은 동반성이 나이를 먹고 거성에 접어든다. 그런데 이번엔 거대하게 부푼 동반성의 외곽 가스가 앞서 먼저 진화를 마치고 서서히 죽어가고 있던 백색왜성 쪽으로 유입된다. 

이미 별이 죽고 남은 찌꺼기 상태인 백색왜성은 갑자기 유입되는 동반성의 물질로 인해 다시 서서히 질량이 증가한다. 그런데 백색왜성은 안정적으로 버틸 수 있는 최대 질량의 한계가 정해져 있다. (이를 찬드라세카르 한계라고 한다.) 이 한계를 넘어서 백색왜성에 너무 많은 물질이 유입되는 바로 순간 결국 불안정한 상태를 버티지 못하고 빠르게 붕괴한다. 그리고 강력한 폭발을 일으킨다. 이것이 바로 Ia형 초신성이다. 

이처럼 Ia형 초신성은 딱 정해진 질량 한계를 벗어나는 순간 폭발한다고 알려져 있다. 그래서 Ia형 초신성의 최대 폭발 순간의 절대 밝기도 일정할 거라 예상할 수 있다. 바로 이 일정한 밝기를 표준 잣대로 활용해서 아주 먼 거리에서 폭발하는 초신성까지의 거리를 잴 수 있다. 

당시 솔 펄머터와 브라이언 슈미트는 바로 이런 관측을 통해, 아주 먼 거리의 초기 우주에서 비교적 가까운 거리에 있는 최근의 우주에 이르기까지 우주의 실제 팽창률이 어떻게 변화하는지를 확인하고자 했다. 이전까지 천문학자들은 우주 팽창이 쭉 일정하게 지속되거나, 우주를 가득 채우고 있는 물질의 중력에 의해 팽창이 서서히 더뎌지고 있을 거라 생각했다. 그런데 관측 결과는 우주의 팽창이 일정하거나 느려지기는커녕, 시간이 흐를수록 점점 더 빠르게 거세지는 가속 팽창을 하고 있는 것으로 나타났다! 

우주의 가속 팽창이 오랫동안 지속되려면, 우주를 수축시키려고 하는 중력에 대항하는 또 다른 미지의 에너지를 가정해야 한다. 결국 천문학자들은 정체를 알 수 없지만 중력에 대항하는 반중력 에너지를 가정하게 되었다. 이것이 암흑 에너지다. 

#그래서 둘을 헷갈리면 안 되는 이유 

여기서 가장 중요한 점이 있다. 암흑 물질과 암흑 에너지는 우주의 진화에 작용하는 방식이 완전히 다르다는 것이다. 

암흑 물질은 어쨌든 질량을 갖고 있는 물질 덩어리다. 다른 일반적인 물질과 전자기적 상호작용은 하지 않지만, 중력으로 서로 끌어당길 수 있다. 암흑 물질의 강한 중력 덕분에 빠르게 맴도는 은하 속 별들이 은하 바깥으로 날아가지 않고 잘 붙잡혀 있다. 즉 암흑 물질은 강한 중력으로 우주의 팽창을 더디게 만드는 브레이크의 역할을 하는 셈이다. 암흑 에너지는 정반대다. 아직 그 정체가 정확히 밝혀지지는 않았지만, 암흑 에너지는 중력에 대항해서 우주 시공간을 더 빠르게 팽창시키는 역할을 한다. 

최근 연세대 이영욱 교수 연구팀에서 암흑 에너지의 첫 관측적 증거로 제시됐던 Ia형 초신성 연구에 문제를 제기하는 논문을 발표했다는 언론 보도가 나왔다. 연구팀은 빅뱅 직후부터 지금까지 줄곧 Ia형 초신성의 최대 폭발 밝기가 일정하지 않을지도 모른다는 가능성을 제시하며, Ia형 초신성을 먼 거리를 재는 표준 잣대로 쓰기 위해선 더 세심한 표준화 작업이 필요하다는 문제를 제기했다. 

적지 않은 사람들이 “이영욱 교수 연구팀이 암흑 물질이 없다고 결론 내렸다”라는 식의 이야기를 한다. 그런데 이건 두 가지 측면에서 잘못됐다. 우선, 연구팀은 암흑 물질이 아니라 암흑 에너지를 연구했다. 연구팀은 자신들이 연구하지도 않은 암흑 물질을 부정했다는 이야기를 들을 때 얼마나 당황스럽겠는가.

그리고 두 번째로는 당시 제기된 문제는 아직 학계에서 명확한 결론이 나지 않았으며, 아직은 큰 동의를 받지 못하고 있다는 점이다. 아직은 암흑 에너지가 정말 없는 것으로 밝혀졌다는 식의 단언을 하는 건 시기상조다. 설령 Ia형 초신성 표준화에 예상치 못한 문제가 있었다 하더라도 뒤이어 발견된 우주배경복사, 우주 표준 모델 등 또 다른 방식의 증거들이 암흑 에너지와 가속 팽창 우주를 지지하고 있기 때문이다. 

최근 천문학자들은 허블 우주 망원경이 무려 지난 30년간 관측한 방대한 은하 데이터들을 활용해 다시 한번 우주의 팽창률을 재점검했다. 특히 가장 최근 논문에서는 Ia형 초신성과 세페이드 변광성을 모두 가진 은하를 대상으로 방대한 연구를 진행했다. 상대적으로 거리 측정에 에러가 많은 Ia형 초신성에 비해서, 세페이드 변광성을 활용하는 방법은 훨씬 정확하게 은하까지의 거리를 잴 수 있다. 만약 어떤 은하가 변광성과 초신성을 모두 품고 있다면, 더 정확한 변광성을 활용해 은하까지의 거리를 정확히 측정하고, 그렇게 알아낸 거리로 다시 초신성의 밝기를 활용한 표준화 방법을 더 정밀하게 보정할 수 있다. 더 정확한 변광성 방법으로 오차가 큰 초신성 활용 방법을 조율하는 셈이다. 

이렇게 세밀하게 조율해 다시 한번 Ia형 초신성으로 파악한 우주의 팽창률을 점검한 결과, 여전히 기존에 알려진 대로 우주가 가속팽창하고 있다는 더 깨끗한 결론을 얻었다. 

#총정리 

암흑 물질과 암흑 에너지는 완전 다른 개념이다. 암흑 물질은 서로 중력으로 끌어당긴다. 따라서 우주에 암흑 물질이 더 많아지면 우주 팽창은 느려지고 수축할 수도 있다. 반대로 암흑 에너지는 중력에 대항해서 우주 시공간을 빠르게 팽창시키는 미지의 에너지다. 암흑 에너지가 지금보다 더 많다면 우주는 더 빠르게 걷잡을 수 없이 팽창하며 찢어지게 된다. 암흑 물질과 암흑 에너지, 이 둘은 그냥 얼버무려서 그게 그거라는 식으로 부를 수 없는, 완전히 다른 상반된 개념이다. 

연세대학교 이영욱 교수의 연구팀은 암흑 에너지의 발견에 반론을 제기했던 것일 뿐, 암흑 물질을 부정한 적은 없다. 게다가 아직 결론이 났다고도 볼 수 없다. 그러니 당시 연구팀이 연구하지도 않은 암흑 물질을 부정하는 발표를 했었다는 생뚱맞는 소리는 하지 말자. 이름이 비슷할지라도, 암흑 물질과 암흑 에너지는 완전히 다른 개념이다. 둘을 구분해주자. 제발.

참고

https://hubblesite.org/contents/news-releases/2022/news-2022-005

https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2021arXiv211204510R/abstract

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​

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