[만화로 푸는 과학 궁금증] 우주를 팽창시키는 암흑에너지의 비밀
1929년 미국 천문학자 허블(Edwin Powell Hubble)은 관측을 통해 먼 은하일수록 빠른 속력으로 멀어지고, 그 속력은 지구에서 그 은하까지의 거리와 비례 관계에 있다는 논문을 발표했다. 이 허블의 논문을 통해 천문학자들은 우주가 팽창한다는 사실을 알게 되었다. 그런데 우주가 팽창하려면 물질이 서로 잡아당기는 힘인 중력을 이겨내야 하는 에너지가 필요하다. 과연 이 에너지는 무엇일까?
허블은 관측 자료를 토대로 은하가 멀어지는 속력은 그 은하와 지구와의 거리에 비례한다는 허블의 법칙을 발표하였다. ⓒ윤상석
아인슈타인의 우주상수와 우주 팽창의 힘
아인슈타인(Albert Einstein)은 1915년 일반 상대성 이론을 발표한 후에 그 이론을 이용하여 우주 공간의 존재 방식에 대해 계산하였다. 그 계산 결과에 의하면, 우주는 팽창하든지 수축하든지 해야 했다. 하지만 우주 크기가 일정하다고 믿었던 아인슈타인은 자신의 계산 결과를 받아들이지 못했다. 그래서 그는 우주가 일정한 크기를 유지하기 위해서 우주에 작용하는 중력과 균형을 이루는 서로 밀어내는 힘, 즉 척력이 필요하다고 생각했다. 그리고 자신의 수식에 그 척력을 나타내는 우주 상수를 집어넣었다. 하지만 허블의 관측으로 우주가 팽창한다는 사실이 알려지면서 아인슈타인은 자신의 우주 상수를 폐기하였다.
허블의 발표 이후에 과학자들은 우주가 팽창하는 이유를 알아내기 위해 노력하였다. 그러던 중에 우주배경복사가 발견되면서 우주가 한 점에서 급격히 팽창하여 지금의 우주가 되었다는 빅뱅 이론이 널리 받아들여졌다. 그리고 많은 과학자가 현재의 우주 팽창이 빅뱅에 의한 우주의 탄생 직후의 급격한 팽창 때문이라고 생각하였다. 공을 위로 던졌을 때 관성에 의해 계속 올라가는 현상처럼 말이다. 그리고 던진 공이 중력이 잡아당겨 속도가 느려지는 것처럼 우주의 팽창도 우주 물질의 중력 때문에 결국에 속도가 줄어들 것이라고 예상하였다.
우주 팽창의 가속
1990년대에 미국 사울 펄무터(Saul Perlmutter) 박사의 연구진과 오스트레일리아 브라이언 슈미트(Brian Schmidt) 박사 연구진은 각각 독립적으로 우주의 팽창 속도를 관측하고 있었다. 두 연구진은 1998년에 각각 관측 결과를 발표하였는데, 놀랍게도 우주의 팽창 속도는 느려지는 것이 아니라 빨라지고 있었다. 그들의 결과에 의하면, 현재 우주는 70억 년 전보다 약 15%나 더 빨리 팽창하고 있다. 이것은 위로 던진 공이 계속 속력을 높이면서 올라가는 것과 같은 상황이다. 이렇게 되려면 공을 잡아당기는 중력을 이겨낼 수 있는 어떤 힘이 필요하다. 마찬가지로 물질의 질량에 작용하는 중력을 이기고 더 빨리 팽창시키는 그 무엇이 우주에 존재한다고 생각할 수밖에 없다. 과학자들은 이 무엇을 암흑 에너지라고 부르기 시작했다. 그리고 아인슈타인이 생각했던 우주 상수가 새롭게 부활하였다. 우주의 팽창을 가속시키는 암흑 에너지를 설명하는 우주 상수가 필요했기 때문이다.
우주의 팽창을 가속시키는 암흑 에너지를 설명하기 위해서는 우주 상수가 필요하다. ⓒ윤상석
암흑 에너지는 어떤 존재일까?
연구에 의하면 우주의 물질 구성 중 암흑 에너지가 차지하는 비율은 73%나 된다고 한다. 23%가 암흑물질이고, 우리가 관측할 수 있는 보통의 물질은 4%에 불과하다. 그 4%의 대부분은 성간 먼지와 기체이고, 별과 은하를 구성하는 물질은 불과 0.4%이다.
그런데 암흑 에너지의 정체는 현재 과학으로는 알 수가 없다. 다만 그 정체를 다음과 같이 추측하고 있다. 암흑 에너지는 잡아당기는 힘인 인력과 반대로 멀어지게 하는 성질인 척력을 가진다. 이 척력은 은하 안의 항성들 사이에 작용하는 중력이나 항성과 행성 사이의 작용하는 중력보다는 약하기 때문에 우리가 사는 은하계나 태양계가 팽창하지는 않는다. 하지만 은하의 집단인 은하단끼리 서로 당기는 중력보다 크기 때문에 은하단 사이는 점점 멀어지고 있다.
또한, 우주 공간이 아무리 팽창하더라도 암흑 에너지는 엷어지지 않는다. 우주가 팽창하면 우주에 있는 물질이나 암흑물질은 엷어질 것이다. 하지만 암흑 에너지는 그렇지 않다. 과학자들은 암흑 에너지가 공간 그 자체가 가진 에너지라고 생각한다. 그래서 우주가 팽창하여 공간이 확대되어도 늘 같은 밀도의 암흑 에너지가 존재할 수 있다.
우주가 팽창하면 우주에 있는 물질이나 암흑물질은 엷어지지만 암흑 에너지는 엷어지지 않는다. 우주가 팽창하여 공간이 확대되어도 늘 같은 밀도의 암흑 에너지가 존재할 수 있다. ⓒ윤상석
그런데 과학자들은 암흑 에너지의 밀도가 앞으로 시간의 흐름에 따라 변할 수 있다고 보고 우주의 미래를 다음과 같이 추측하고 있다. 암흑 에너지가 현재의 밀도를 그대로 유지할 경우에는 우주가 현 상태 그대로 가속 팽창할 것이다. 만약 암흑 에너지의 밀도가 현재보다 작아지면, 우주의 팽창이 수축으로 바뀌어 결국엔 우주가 하나의 점으로 찌부러질 가능성이 있다. 반대로 암흑 에너지의 밀도가 현재보다 커지면, 은하와 별, 원자까지도 뿔뿔이 흩어지는 가속 팽창이 일어날지도 모른다.
(11043)
로그인후 이용 가능합니다.
/ 중국 정부가 지난해 12월 이래 3개월여만에 ‘블루 아카이브’를 비롯한 한국산 게임에 판호(版號·중국 내 게임 서비스 허가)를 발급했다. 21일 게임 업계에 따르면 중국 국가신문출판서는 전날 홈페이지를 통해 한국 게임을 포함한 27종의 외국산 게임 수입을 허가했다고 공지했다. 중국은 심의를 거친 자국 게임사 게임에 ‘내자판호’를, 해외 게임사 게임에는 ‘외자판호’를 발급해 서비스를
/ 애플의 근거리무선통신(NFC) 결제 서비스 ‘애플페이’가 마침내 한국에 상륙했다. 정보통신기술(ICT) 업계에 따르면 애플과 현대카드는 21일 오전부터 애플페이 국내 서비스를 시작했다. 아이폰과 현대카드를 보유한 이용자는 호환 단말기를 보유한 매장에서 카드 실물 없이 휴대전화로 간편결제를 이용할 수 있게 됐다. 당초 양사는 이달 초를 서비스 개시 목표일로 삼았으나 호환 단말기 보급 이슈
/ 피해 규모만 매년 수천억 원대에 달하는 전화금융사기(보이스피싱)에는 불법 콜 중계기(심박스) 등 다양한 장비가 이용된다. ‘심박스’는 인터넷 전화(VoIP)를 이동통신 전화(VoLTE·3G) 전화로 바꿔주는 역할을 하는데, 해외 보이스피싱 범죄자가 국내 피해자에게 전화할 때 단말기에 ‘070’ 번호가 아닌 ‘010’ 번호가 뜨도록 하는 장비다. 심박스를 탐지하기 위해 현재까지 발신자·통화 시간·통화 위치·음질 등 통화 정보를
/ 경북도가 로봇 기업, 연구기관 등과 손잡고 인공지능(AI) 서비스로봇 제조 생태계 조성에 나선다. 도는 21일 도청 회의실에서 구미시, 자율주행 로봇 스타트업 베어로보틱스, 로봇 제조 업체 인탑스, KT, 경북테크노파크, 경북도경제진흥원, 한국로봇융합연구원과 업무협약을 했다. 기업과 연구소 등은 앞으로 AI 서비스로봇 산업육성, AI 서비스로봇 부품 국산화 및 기술개발 생태계 조성, 연구개발 및
/ 과학기술정보통신부는 21일 미국 국토안보부 과학기술본부와 과학·기술·공학·수학(STEM) 분야 인력의 교류 촉진과 공동 연구를 위한 협력공동의향서(JSOI)를 체결했다고 밝혔다. 박윤규 과기정통부 2차관과 디미트리 커스네조브 미국 국토안보부 과학기술본부 차관은 이날 서울 중구 중앙우체국에서 한미 동맹 70주년을 기념해 면담을 갖고 양국 간 공동 연구와 인력 교류를 내용으로 하는 공동의향서에 서명했다. 양국은 디지털 전환
/ 한국기초과학지원연구원(KBSI)은 춘천센터 김길남 박사 연구팀이 강원 양구군·국립수목원과 공동으로 개느삼 뿌리 추출물의 항염증 효과를 입증했다고 20일 밝혔다. 연구팀은 쥐의 대식세포에 염증 반응을 유도한 뒤 대표적 염증유발물질인 산화질소의 생성 저해율을 측정했다. 그 결과 개느삼 뿌리 추출물을 처리한 대식세포에서 산화질소 발현이 47.5% 감소했다. 염증 유발 단백질인 산화질소 합성 효소(iNOS)와 염증성 사이토카인의
/ 국내 우주스타트업 이노스페이스는 독자 개발한 엔진 검증용 시험 발사체 ‘한빛-TLV’가 현지시간 19일 오후 2시 52분(한국시간 20일 오전 2시 52분) 브라질 공군 산하 알칸타라 우주센터(CLA)에서 발사됐다고 밝혔다. 브라질 공군은 “한빛-TLV가 브라질 탑재체를 싣고 4분 33초 동안 비행했다”며 이번 발사 임무가 ‘양국 협력에 따른 성공’이라 될 것 같다고 표현했다. 이노스페이스도