암흑에너지 발견

『암흑 에너지』발견, 충격에 휩싸인 천문학계

폭발력과 중력 이외에 또 다른 우주에너지 실체로 「빅뱅이론 」뒤흔들려

최근 미국의 우주망원경과학연구소(Space Telescope Science Institute)의 한 세미나에서 세계 천문학계에 새로운 화두를 던지는 연구결과가 발표됐다.

동 연구소 소속의 소장학자 애덤 라이스의 허블 다이아그램(Hubble Diagram)이라는 연구였는데 당시 미국의 대표적인 천문학자, 이론물리학자를 포함해 전세계에서 참가한 전문가들이 숨을 죽였다. 라이스박사의 연구는 다음과 같은 동기와 과정 그리고 결과를 담고 있었다.

먼저 동기다. 동기를 설명하기 위해서는 우주생성를 설명한 빅뱅이론(Big Bang Theory, Big Bang Model)을 들어야 한다. 빅뱅이론은 대폭발이론으로도 불리는데 그동안 천문학에서 가장 널리 수용돼 왔던 표준적인 팽창우주생성론이다.

빅뱅이론에 의하면 최초 우주는 고온 고밀도 상태에서 모든 물질은 공간적으로 동일한 위치에서 모두 단조로운 소립자로 구성되어 있었다. 이것이 급격히 폭발하여 팽창하면서 냉각, 열핵반응이 일어나 여러 원자핵이 생겨났다. 최초 우주가 폭발을 일으킨 것은 지금으로부터 150억년에서 200억년 전으로 추정되고 있다.

그러나 열핵반응은 우주생성 이후 수백초에서 그치고, 그후 우주는 주로 양자와 전자로 된 뜨거운 플라즈마 상태로 되었다. 약 10만년 후 우주의 온도와 밀도는 내려가고 전자와 양자는 결합(플라즈마 결합)하여 중성의 수소원자를 만들어냄에 따라 각종 다른 원자가 만들어졌다. 중성화한 물질은 상호 중력에 의해 초기에 존재했던 자체 요동이 점차 성장하면서 팽창에 팽창을 거듭하게 됐고 결국 현재와 같이 항성, 은하, 은하단, 초은하단과 같이 팽창하는 우주를 만들게됐다.

빅뱅이론은 1946년 미국의 물리학자 G 가모브가 제시한 것으로 이후 1981년 이플레이션모델을 주장한 A H 구스 등 여러 학자들의 주장과 학설이 섞이고 정리되면서 수정을 거쳤다. 특히 우주가 폭발해서 팽창을 거듭하다가 폭발력이 소진되는 일정 시점이 되면 중력으로 인해 다시 수축을 시작해 백뱅 원점으로 회귀하게 된다는 주장도 추가됐다.

그 다음은 과정이다. 그렇다면 우주가 폭발후 팽창하다가 수축을 하게 된다면 최초 빅뱅에서 떨어져 나간 물질, 곧 이것이 별도 되고 개스도 되고 달도 됐을테지만 이것이 과연 현재 어떤 상태로 있을 것인가 하는 것이다. 라이스 박사는 우선 미국이 우주공간에 쏴올린 허블망원경을 사용해 150억 광년 밖에 떨어진 별(초신성 supernova)을 관찰했다. 빅뱅이론대로라면 이 별은 지난 150억 광년 동안 폭발력으로 인해 빠르게 팽창하다가 곧 우주의 정점으로부터 고속으로 멀어지다가 일정 기간이 지난후 속도가 느려져야만 정상이었다. 시간이 갈수록 폭발력이 떨어지고 반대로 우주의 정점부터 존재하던 중력이 강해지기 때문이다.

그러나 라이스 박사의 허블 다이아그램의 연구결과는 지난 150억 광년 동안 이 별이 보인 속도가 빠른속도의 팽창에서 느린속도로의 팽창이라는 단순 속도변화가 아니었다. 다시말해 빅뱅의 폭발력으로 인해 별이 빠른 속도로 뛰쳐나가다가 시간이 갈수록 속도가 느려지는 것이 아니라는 사실이 밝혀졌다.

별의 속도가 느리게 변한 것은 사실이지만 110억광년 이후부터 현재 사이에 무엇인가 인류가 관찰할 수 없는 우주 밖의 어떤 알수 없는 에너지에 의해 별의 속도는 다시 또 빨라지기 시작한 것이다. 다시말해 폭발력으로 인한 급팽창-폭팔력의 소진과 중력으로 인한 수축-원인을 알 수없는 의문의 에너지에 의한 또다른 급팽창을 하고 있음이 드러난 것이다.

라이스 박사의 연구결과는 여러가지로 설명된다. 물론 최근 밝혀진 것이기 때문에 어떤 결론이 내려지지 않고 있다. 전문가들은 라이스박사의 연구결과가 발표된 이후 (물론 이전까지도 여러 학자들에 의해 비슷한 가설들이 제시됐었지만) 과연 150억광년이나 떨어진 우주 끝의 별을 또다시 팽창하도록 만드는 힘이 과연 무엇인가를 밝혀내기 위해 전심전력을 기울이고 있다.

일단 보편적으로 받아들여지고 있는 것은 폭발력과 중력 이외에 또다른 우주 에너지가 존재하고 있다는 것이다. 아직까지 실체가 규명되지 않았기 때문에 전문가들은 단순히 암흑 에너지(Dark Energy)라고 부르고 있다. 라이스 박사의 연구결과에 대해 미국은 물론 전세계 천문학자, 이론물리학자 등은 최고두뇌의 전문가들은 이 암흑 에너지를 설명하기 위해 분주하다.

가장 먼저는 이 암흑 에너지를 아인슈타인이 한때 주장했던 우주상수로 설명할 수 없을까 하는 것이다. 아인슈타인은 상대성이론으로 시간과 공간을 포함하는 물질계를 해석하면서 우주가 말안장과 같이 생겼다고 말하기도 했다. 어느 한지점에서 일정방향으로 계속해서 운동을 하게 되면 일정시간이 지난후 다시 제자리로 돌아오게 된다는 것이다.

아인슈타인은 이같은 우주를 설명하는 중력방정식을 발표했는데 여기에 실제로 확인되지 않는 요소로서 소위 우주상수를 삽입했다. 아인슈타인은 이후 이 우주상수의 개념을 포기하고 중력방정식에서 뺐다. 그러나 라이스 박사를 포함해 전문가들은 암흑 에너지라는 그동안 확실하게 밝혀지지 않았던 새로운 우주 에너지를 아인슈타인의 우주상수 개념을 이용해 풀어 낼수 있지 않을까를 모색하고 있다.

또 한가지는 슈퍼스트링 이론으로 암흑 에너지의 실체를 규명해 내는 것이다.

슈퍼스트링 이론은 모든 물질들은 눈에 보이지 않는 극초미세의 끈으로 연결돼 있다는 것으로 인간이 몸담고 있는 물질계 곧 우주는 단순히 시간과 공간으로 만들어진 3차원이 아니라 10차원 내지는 11차원의 고차원세계라고 말한다. 따라서 이같은 고차원의 세계에서는 중력이라는 평면적인 에너지 흐름은 얼마든지 다른 방향으로 전이 또는 변화할 수 있으며 암흑 에너지도 실제 이같은 다차원 우주에서 발생할 수 있는 현상 중 하나로 설명하는 것이다.

아직까지 결론 난 것은 없다. 다만 최근 밝혀진 암흑 에너지의 실체로 인해 이제 천문학은 눈에 보이는 별이 아닌, 눈에 보이지 않는 암흑을 연구하는 학문으로 변해가고 있다는 사실이다.(Jason park)■