암흑 물질과 암흑 에너지는 무엇일까?

암흑 물질과 암흑 에너지는 무엇일까요?

암흑 물질

우주를 들여다보면 별, 행성, 은하로 가득 찬 우주를 보게 됩니다. 우리의 눈은 많은 것을 볼 수 있지만 실제로 우리가 보는 것은 우주가 구성되어 있는 것의 극히 일부에 불과합니다. 제한된 감각을 극복하도록 설계된 기술에도 불구하고 우리는 여전히 우주의 95%를 볼 수 없습니다. 그것은 대부분의 우주가 우리에게 보이지 않고 암흑 물질과 암흑 에너지라는 두 가지 신비한 물질로 구성되어 있기 때문입니다. 암흑 물질은 우주 전체 물질의 약 27%를 차지하며, 암흑 에너지는 68%를 차지합니다. 이것은 우리가 볼 수 있는 모든 가시적 물질, 모든 은하, 별 및 행성이 우주 전체 물질의 5%에 불과하다는 것을 의미합니다. 나머지는 눈에 보이지 않을 뿐만 아니라 우리는 그들에 대해 거의 알지 못합니다. 우리는 암흑 물질과 암흑 에너지에 대해 무엇을 알고 있나요?

 

암흑 물질과 암흑 에너지는 함께 우주의 95%를 구성합니다.
암흑 물질은 보이는 물체에 대한 중력 효과로 감지됩니다.
암흑 에너지는 우주의 팽창을 가속화하고 있습니다.

암흑 물질

앞서 언급했듯이 우주에 있는 물질의 27%는 암흑 물질로 구성되어 있습니다. 과학자들이 실제로 알고 있는 암흑 물질의 유일한 측면은 그것이 중력을 발휘하고 중력을 통하지 않고는 빛이나 일반 물질과 상호 작용하지 않는다는 것입니다. 암흑물질의 존재는 1933년 스위스 천문학자 프리츠 츠비키가 처음 제안했다. 코마 클러스터로 알려진 은하단을 관찰하면서 그는 클러스터의 질량을 결정하려고 했습니다. 성단의 총 질량은 뉴턴과 아인슈타인이 제공한 중력 수학을 사용하여 결정됩니다. 그러나 그는 곧 문제에 봉착했습니다. 모든 보이는 은하의 총 질량은 은하단이 어떻게 함께 유지되는지 설명할 수 없습니다. 그의 계산에 따르면 은하계를 한데 묶을 수 있는 질량이 충분하지 않습니다. 물리학 자체의 법칙에 따르면 대부분의 은하단은 붕괴해야 하지만 그렇지 않습니다. 즈위키는 계속해서 다른 설명을 제공했습니다. 그는 은하계를 하나로 묶는 중력을 생성할 수 있는 어떤 종류의 물질이 존재한다는 이론을 세웠습니다. 이 알 수 없는 형태의 물질은 암흑 물질로 알려지게 되었으며 시간이 지남에 따라 우주에서 암흑 물질의 존재를 뒷받침하는 더 많은 증거가 나타나기 시작했습니다.

 

1960년대에 미국의 천문학자 베라 루빈은 암흑 물질과 관련된 가장 흥미롭고 중요한 발견 중 하나를 했습니다. 여성들이 과학 분야에서 경력을 쌓는 것을 대체로 꺼려하던 시대에 루빈은 우주론에서 가장 중요한 발견 중 하나를 만든 팔머 천문대를 운영한 최초의 여성이 되었습니다. 그녀는 천문학자들이 우리 태양계의 행성과 유사한 방식으로 행동할 것으로 예측한 은하의 회전 속도를 측정하기 시작했습니다. 태양에 가까울수록 행성이 궤도를 더 빨리 완료합니다. 예를 들어, 수성은 88일마다 한 번 공전하는 반면, 태양에서 가장 먼 행성인 해왕성은 165년마다 한 번 공전합니다. 우리 태양계에서와 마찬가지로 은하 중심에 가까운 별은 은하 외부 지역에 있는 별보다 더 빠르게 공전할 것으로 예상됩니다. 그러나 많은 과학의 경우와 마찬가지로 자연은 우리를 놀라게 합니다. 루빈은 대부분의 별들이 상대적으로 같은 속도로 은하 중심을 공전하는 것처럼 보인다는 사실을 발견했습니다. 대부분의 은하계의 질량 분포를 감안할 때 이런 일은 일어나지 않아야 합니다. 루빈은 별을 더 빨리 움직이게 하는 중력의 당김에 대한 증거로 암흑 물질을 발견했다는 것을 깨달았습니다.

 

과학자들은 암흑 물질이 발견된 이후로 무엇인지에 대해 의아해했습니다. 아마도 어떤 사람들은 암흑 물질이 악성 행성, 블랙홀, 백색 왜성 및 중성자 별과 같이 망원경으로 볼 수 없는 작은 물체의 집합체일 뿐이라고 생각합니다. 그러나 이러한 물체를 설명하더라도 숫자는 단순히 우주를 함께 유지하는 데 필요한 암흑 물질의 양을 합산하지 않습니다. 최근 몇 년 동안 가장 설득력 있는 것으로 입증된 한 가지 증거는 중력 렌즈 효과입니다. 이 현상은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 처음 설명되었습니다. 아인슈타인은 중력 자체가 질량을 가진 물체에 의해 공간이 뒤틀리고 구부러지는 것이라고 믿었습니다.

 

예를 들어, 태양은 주변 공간을 구부리고 행성은 우주 자체의 곡률을 따릅니다. 아인슈타인은 이것이 사실이라면 빛도 휘어진 공간을 통과할 때 물체 주위를 휘게 된다는 것을 깨달았습니다. 천문학자들이 태양 주위를 도는 배경 별에서 나오는 빛을 관찰하면서 아인슈타인의 중력 이론이 입증된 것은 일식 동안이었습니다.

 

이 현상은 돋보기처럼 공간 자체가 들어오는 빛을 굴절시키고 먼 물체를 구부리고 확대할 수 있기 때문에 중력 렌즈 효과로 알려져 있습니다. 이 왜곡의 크기는 빛의 경로를 휘게 하는 물체의 질량을 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 따라서 우주의 27%가 암흑 물질이라면 중력 렌즈 효과는 상당히 흔합니다. 허블 우주망원경의 발사로 천문학자들은 우주 전역의 중력 렌즈 효과를 발견했습니다. 즈위키와 루빈의 발견과 마찬가지로 일부 은하단의 중력 렌즈 효과는 보이는 물체의 질량으로 설명할 수 없습니다. 대신, 계산은 중력을 가하는 숨겨진 형태의 물질을 드러냈습니다. 지금까지 천문학자들은 암흑 물질에 대해 거의 알지 못했습니다. 지금까지 암흑 물질을 발견하기 위한 모든 실험은 실패했습니다.

암흑 에너지

우주가 존재하는 한 팽창해 왔습니다. 우주는 광대하고 점점 더 커질 것입니다. 우주는 어제보다 오늘 더 큽니다. 시계를 충분히 되감으면 결국 모든 공간이 한 지점으로 압축되는 지점에 도달하게 됩니다. 우주의 초기 팽창은 엄청났지만 빅뱅 이후 수십억 년 동안 느려지기 시작했습니다. 당연히 과학자들은 이제 우주의 팽창이 느려질 것이라고 예측합니다. 결국 암흑 물질은 우주의 많은 부분을 구성하는 것으로 알려졌기 때문에 중력이 우주의 팽창을 점차 늦추는 반면 우주 자체는 먼 미래에 수축하기 시작할 것이라고 추정됩니다. 이 가설을 증명하기 위해 두 그룹의 천문학자들이 우주의 팽창률을 측정하기 시작했습니다. 1999년에 그들은 동일한 현상을 관찰한 결과를 독립적으로 발표했습니다. 우주는 느려지는 것이 아니라 빨라지고 있습니다. 우주가 얼마나 빨리 팽창하는지 알아보기 위해 두 팀이 우주에서 가장 먼 지점까지의 거리를 측정하는 방법을 찾기 시작했습니다.

 

관측 가능한 우주의 외곽까지의 거리를 결정하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 이를 위해서는 절대 밝기를 결정할 수 있는 물체를 찾아야 한다. 즉, 항상 동일한 에너지를 발산하는 무언가를 찾아야 합니다. 우주의 많은 것들이 이 일을 일관되게 수행하지는 않지만, 천문학자들은 그 과정이 항상 같은 양의 에너지를 방출한다는 것을 발견했습니다. 태양과 같은 별은 수소가 고갈되면 적색 거성으로 진화한 다음 백색 왜성으로 진화합니다. 흥미롭게도 모든 백색 왜성의 질량에는 상한선이 있습니다. 찬드라세카르 한계로 알려진 이 한계는 약 1.4 태양 질량입니다. 이 질량을 초과하는 백색 왜성은 궤도에서 열핵 반응을 일으켜 1A형 초신성 폭발을 일으킵니다. 모든 백색 왜성의 상한 질량 한계가 같기 때문에 백색 왜성이 무엇이든 방출하는 에너지의 양은 동일합니다. 그러한 초신성은 드물지만 우주는 천문학자들이 많은 초신성을 발견할 수 있을 만큼 충분히 큽니다.

도플러 효과

천문학자들은 정확한 에너지 출력을 결정함으로써 초신성의 거리를 결정할 수 있습니다. 또한 초신성이 우리에게서 멀어지면 방출하는 빛이 적색 편이됩니다. 도플러 효과는 빛나는 물체가 우리에 대해 어떻게 움직이는지에 따라 광파가 늘어나거나 압축될 수 있다고 말함으로써 이 관찰을 설명합니다. 물체가 우리를 향해 움직이면 빛이 압축되어 파란색으로 변합니다. 그것이 우리에게서 멀어짐에 따라 그 빛은 늘어나고 적색 편이됩니다. 적색편이와 1A형 초신성까지의 거리를 측정함으로써 천문학자들은 은하가 우리에게서 얼마나 빨리 멀어지고 있는지 확인할 수 있습니다. 몇 개의 은하와 초신성에 대해 이렇게 함으로써 천문학자들은 우주가 얼마나 빨리 팽창하고 있는지 결정할 수 있습니다. 데이터는 예상치 못한 결과를 드러냈습니다. 확산 속도가 빨라질 뿐입니다. 우주의 크기는 예상대로 감속되기보다는 가속되고 있습니다. 그러나 우주가 가속되기 위해서는 가속을 일으키는 어떤 형태의 에너지가 스며들어야 합니다. 자동차가 움직이기 시작하려면 에너지가 필요하고 가속하려면 더 많은 에너지가 필요한 것과 같습니다. 천문학자들은 이 에너지를 암흑 에너지라고 명명했지만, 그들이 아는 만큼입니다.