January 23,2018

우주가속팽창 “아닐 수도 있다”

김제완의 새로운 과학(10) 오락가락 우주론

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20세기 과학계에서나 일반 대중들로부터 큰 관심을 받은 분야로서 우주론을 꼽지 않을 수 없다.

펜지아와 윌슨이 외계인 ET를 찾으려고 시작한 전파망원경에서 우주 탄생 후 약 3000년 뒤에 터져 나온 창세기의 빛을 발견하여 노벨상을 받은 뒤 일반 대중들까지 ‘우주배경복사’라는 이름으로 알려진 이 창세기의 빛 사진은 주부들까지 익숙해진 그런 과학기사 사진이 되었다.

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그런데 우주의 나이가 약 138억년 정도 되었다는 것을 어떻게 알게 되었을까?

이를 알기 위하여 ‘허블법칙’이라는 과학 원리를 설명하지 않을 수 없다. 허블법칙은 은하계의 거리와 우주의 팽창에 따른 속도는 비례한다는 거시적인 과학법칙이다. 이 허블의 법칙을 검증하기 위해서는 팽창 속도의 측정이 필요한데 이는 잘 알려진 ‘도플러’법칙에 의존하고 있다.

혹 도플러 법칙이 무엇인지 잊어버린 사람들을 위하여 한 번 더 여러분들의 기억을 돕도록 하겠다. 비오는 날 선로 옆에 서 있으면 기차가 다가올 때는 기적소리가 고음으로 들리다가 지나가면 저음으로 변한다. 기차가 다가올 때는 음파가 압축되어 고음으로 들리고 기차가 멀어질 때는 음파가 늘어나서 저음이 된다. 음파의 변화가 얼마만큼 일어나는가를 알면 기차의 속도를 알아낼 수 있다. 이렇게 도플러 효과를 써서 은하계의 색깔로부터 은하계의 팽창속도를 V를 가늠한다.

은하계의 거리는 좀 더 다른 물리원리를 쓰고 있다. 별 역시 태어났다가 죽는다. 예를 들어 태양만큼 큰 별은 거의 100억년 정도 그 모양을 유지한다. 현재 태양은 내부에서 수소핵 융합반응에 의하여 뜨거운 열을 생성하여 그 열이 빛의 형식으로 외부에 전달되면서 우리들 지구에 생명력을 불어 넣고 있다.

그러나 언젠가는 수소연료를 다 태우고 나면 헬륨을 태운다. 그 때가 되면 태양은 지금 태양보다 훨씬 커져서 적색 거성이 된다. 그렇게 되면 우리 지구는 큰 태양의 뜨거운 빛 때문에 모든 생물은 다 죽고 말 그래도 뜨거운 가마솥처럼 된다.

태양의 외각이 중심으로 무너지려는 운동을 막아주는 핵연료가 다 탕진되면 태양은 그 무게를 지탱할 수 없어서 모든 것들이 중심부를 향하여 떨어져 내려가는데 이 속도가 굉장히 빠르다.

그 뿐만이 아니라 중심부를 향한 태양 외곽의 무게 때문에 모든 원자는 다 깨어지고 원자핵이 서로 부딪치고 외곽에는 전자로 덮인 ‘백색왜성’(White Dwarf)이 된다. 우리들로부터 약 5광년 떨어져 있는 ‘알파 센토로’가 백색왜성으로 잘 알려져 있다.

그런데 이렇게 생긴 백색왜성 근방에 큰 별이 있으면 작지만 그 만유인력은 무시무시하게 강한 백색왜성이므로 큰 별의 물질을 빨아 당겨서 그 무게가 더 커진다. 이렇게 몸집을 불리면서 태양 질량의 1.4배가 되면 그 무게를 견뎌내지 못한 원자들이 부서지면서 중성자만 남게 된다.

위에서 보다시피 중성자별의 질량은 태양의 1.4배이고 이렇게 생기는 중성자별의 과정을 초신성 타이프 1a (Supernova Type 1a)라고 하며 크기가 같기 때문에 밝기도 같다. 그런데 이 SN Type 1a가 멀리 있으면 더 어둡게 보이고 가까이 있으면 더 밝게 보이게 된다. 즉 SN Type 1a는 우주에서 거리를 재는 잣대로 쓰이게 된다.

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앞에서 말한 것처럼 팽창속도는 도플러 효과로 재고 거리는 초신성의 밝기로 측정하면 허블상수를 얻을 수 있다. 이 허블팽창을 세밀하게 측장한 존 메더(John Mather)와 조지 스므트(George Smoot)는 우주가 약 45억 년 전부터 가속 팽창하고 있다는 결론을 내렸다. 추측컨대 이는 우리가 모르는 형태의 에너지 즉 암흑에너지가 그 원인일 것이라는 결론이었다.

그런데 옥스퍼드 대학교의 스바 사아커(Subir Sarker)교수가 이끄는 연구팀은 지금까지와는 그 데이터의 양에 있어서 차원이 다른 무려 740개의 Type 1a  Supernova 데이터를 근거로 이번 달 네이처지에 우주는 가속 팽창하고 있지 않을 수 있다고 의견을 발표했다.

그들은 초신성에서 나오는 광도를 아는 범위 내에서 더 정교하게 가공하여서 분석하였더니 그냥 팽창하고 있지 가속 팽창은 하고 있지 않다는 결론을 얻었다. 이전까지 가속 팽창한다고 주장한 팀 보다는 그들의 데이터가 더 신빙성이 있음을 내비치고 있다.

그들의 주장이 맞는다면 역사상 처음으로 노벨상의 결과가 틀리는 것이 되고 이런 일은 노벨상 역사상 없었던 걸로 알고 있다. 지금 돌이켜보면 선박들을 위한 등댓불을 발명한 사람에게 노벨상을 준 적이 있다. 오늘날 같은 과학 시대에서 보면 농담 같은 일이지만 틀린 것은 아니었다.

그런데 이번 스바 사아커 교수팀의 결론이 맞는다면 처음으로 틀린 사실에 노벨상을 주게 된 결과가 되고 주옥같은 노벨상 자체에 흠집을 주는 결과가 되겠다.

  • 김제완 서울대 물리학과 명예교수다른 기사 보기
  • 저작권자 2016.11.15 ⓒ ScienceTimes

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