우주의 미스테리, 암흑에너지

[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.

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