우주를 가득 채우고 있는 의문의 물질들

지금까지 인류가 알고있는 물질은 얼마나 될까?

 

최근 1세기만 따져도 과학은 엄청나게 진보해왔잖아

 

달에 인간을 보냈고, 보이저호는 태양계 밖을 여행 중이고, 최근에는 블랙홀 사진까지 찍었지.

 

이렇게 과학이 발전하고 몇세기전만해도 상상도 할 수 없었던 일들이 일어나고 있지만

 

우주적 관점에서 본다면 어떨까?

 

 

현재 우주에 있는 물질 중에 인류가 알고있는 물질은 꼴랑 4%~5% 정도밖에 안됨

 

바로 현재까지 관측이 불가능한 미지의 물질들이 큰 비중을 차지하고 있기 때문임

약 22%는 암흑물질(Dark Matter), 74%는 암흑 에너지(Dark Energy)

 

이름이 중2병스러운데 그냥 모른다는 뜻에서 Dark라고 이름 붙여졌음

 

얘낸 대체 뭐하는 놈들일까?

 

 

암흑물질 Dark Matter

 

태양계가 위치하고 있는 우리은하를 보면

 

우리은하는 히오스 모양으로 생겼고, 서서히 회전하는 중임.

 

상식적으로 생각해보면 안쪽은 빨리 회전하고 바깥쪽은 느리게 회전하겠지?

 

마치 태양계에서 수성이 해왕성보다 빨리 한바퀴 공전하는 것처럼 은하적인 스케일로 보면 동일하게 바깥쪽은 느리게 공전할거라는거지.

 

 

근데 실제 별의 움직임을 계산해보면 오히려 바깥 쪽이 안쪽과 비슷하거나 더 빠른 속도로 회전하고 있음

 

이건 굉장히 이상한 관측 결과임

 

소용돌이 모양으로 회전해야한다고 생각했는데, 마치 레코드판처럼 균등하게 회전하고 있는거지

 

 

이에 과학자들은 한가지 이론을 내게 되는데

 

우주에는 우리가 아직 관측하지 못한 미지의 물질이 있다는거야.

 

보이지 않는데 아무튼 질량을 가지고 있는 물질, 이걸 암흑물질(Dark Matter)라 부르게 됨

 

이 암흑물질의 질량 때문에 외곽이 빠르게 회전하는거임

 

 

딱 보이는것만 본다면 중심부로 갈수록 별의 밀도가 높아지고, 외곽 쪽에는 별의 밀도가 낮아지는 것처럼 보임

 

그런데도 암흑물질들이 외곽쪽에 엄청나게 분포해있기 때문에 거의 동등하게 회전하게 된거지

 

 

 

다른예로 안드로메다 은하가 있음

 

안드로메다 은하는 우리은하보다 별의 개수가 2배 이상 많음

 

근데 정작 암흑물질 때문에 실제로는 우리은하와 엇비슷한 질량을 가지고 있음

 

사실은 지구인들의 개념일 수도 있지만 ㅎㅎ;

 

 

 

두번째 증거로 

 

아인슈타인에 의하면 질량은 중력이고, 중력은 빛을 휘게 만들 수 있음

 

이게 바로 중력렌즈 효과야.

 

인터스텔라에서 블랙홀 근처에 빛이 휘어진 모양으로 보이지? 바로 그거임

 

근데 몇몇 천체들이 원래 휘어야될 빛보다 훨씬 더 많이 휘어지는걸 관측할 수 있음

 

혹은 빈공간처럼 보이는 곳에서도 빛이 휘기도 하지

 

암흑물질들이 질량을 엄청나게 차지하고 있기 때문에 실제 중력은 더 높아진거임

 

 

이 암흑물질의 분포도를 계산해봤더니 실제 우주의 질량 중 약 22%를 차지하고 있음

 

 

 

암흑 에너지(Dark Energy)

 

많은 사람들이 아는 것처럼 우주는 한점에서 시작됐다고 여겨지고 있어

 

일명 빅뱅 우주론임

 

 

138억년전 빅뱅이 터진 직후 공간과 시간이 생겨났고, 급속도로 팽창하기 시작했음

 

그리고 지금도 우주의 공간은 계속 팽창하고 있음

 

허블에 의해서 은하들 간의 거리가 서로 멀어지고 있다는게 관측이 됐지.

 

이는 빅뱅 우주론의 증거 중 하나야

 

 

빅뱅이라는 탄생이 있다면, 우주의 멸망은 어떻게 될까? 

 

가설들이야 많지만 크게보면 3가지로 분류할 수 있는데

 

 

1. 만약 빅뱅으로 생성된 물질이 충분히 많다면 중력에 의해 팽창속도는 점점 줄어듬

 

그리고 오랜 시간이 흘러간 뒤에는 다시 한점으로 뭉치게 될거임. (=빅 크런치)

 

 

2. 팽창되는 속도에 비해 물질이 적다면(중력이 작다면) 우주 공간은 무한하게 커지게 됨

 

결국 시간이 지나 모든 물질들이 붕괴하고 무한하게 커진 공간만 남음. (= 빅 프리즈)

 

 

3. 중력과 팽창이 완벽하게 일치해서 서로 균형을 이룬다면

 

공간이 더 이상 커지지도 않고 줄어들지도 않는 상태가 만들어짐. 

 

물론 가능성은 그럴 가능성은 거의 없겠지만. 

 

 

야구공을 하늘을 향해 던진다고 생각해보자

 

지구를 탈출할 만큼 속도가 안된다면 중력에 의해 땅바닥으로 떨어지겠지만 (빅 크런치)

 

충분히 세게 던진다면 지구를 탈출해서 우주 공간을 떠돌 수도 있겠지 (빅 프리즈)

 

근데 적당하게 던진다면 지구 주위를 도는 위성이 될 수도 있음

 

 

이 이야기를 왜 했냐면

 

현재 우주는 이상하게 팽창 속도가 점점 빨라지고 있어.

 

위의 예시를 생각해보면 꾸준히 커지거나, 줄어들거나, 팽창하지 않거나 셋 중 하나임

 

하늘 위로 던진 야구공이 중간에 속도가 더 빨라질 수는 없는거잖아

 

 

팽창속도가 중간에 더 빨라진다는 것은 중력이 가진 인력과 반대되는 힘, 척력이 작용한다는건데

 

현재로서는 이해할 수 없는 현상이야

 

이를 "가속팽창"이라고 부름

 

 

간단하게 핵폭탄을 빅뱅이라 생각해보자

 

핵폭탄이 터지고 버섯구름이 나타나고 충격파가 지면을 휩쓸겠지

 

근데 이 충격파의 속도는 점점 느려지고 마침내 잠잠해질거임

 

충격파 중간에 속도가 더 빨라질 수는 없어

 

근데 우주는 점점 계속해서 미친듯이 팽창 속도가 더 빨라지고 있다는거임

 

 

이 힘을 계산해봤더니 우주 질량의 약 74%를 차지하더라 이 말이야

 

이걸 암흑에너지(Dark Energy)라 부르게 됨

 

 

 

 

 

 

가까운 은하들은 중력의 힘이 작용하기 때문에 서로를 끌어당기고 있음

 

마치 안드로메다와 우리은하가 더 가까워지는 것처럼.

 

하지만 거리가 먼 은하들은 암흑에너지의 척력 때문에 점점 더 멀어지고 있지

 

거리가 멀수록 더 빨리 멀어지고 있음. 우리가 상상도 할 수 없을 정도의 속도로 말야

 

시간이 지나면 가까운 은하들은 서로 뭉쳐서 거대한 하나의 은하를 형성할 것이고

 

멀리 있는 은하들은 훨씬 더 멀어져서 관측조차 불가능해질거임