우주 - 그 수수께끼를 푼다

[白山 김기수]

숨은 입자’ 찾아야 우주 수수께끼 푼다           주간동아 | 기사입력 2004-07-14 15:31 

거의 모든 물리학 교과서에서 ‘무게 없는 존재’라고 설명하던 중성미자의 정체가 드디어 밝혀졌
다(물질의 최소 단위인 소립자의 하나로 ‘뉴트리노’). 정확한 질량은 확인하지 못했지만, 어쨌든
질량이 있다는 ‘충격적’인 사실이 일본 쓰쿠바에 위치한 고에너지연구소 중성미자진동실험
(K2K) 국제연구팀에 의해 증명됐기 때문이다. 이로써 물리학계는 지금까지 금과옥조로 떠받들
던 표준모형을 폐기하고, 물리학 이론의 상당 부분을 뜯어고치는 대공사가 불가피해졌다. 과학
자들은 이제 중성미자의 질량 크기만 확인할 수 있다면 우주의 과거와 현재, 그리고 미래에 얽
힌 수수께끼를 상당 부분 풀 수 있을 것으로 기대하고 있다.

물론 비관론도 없지 않다. “과연 중성미자와 지금까지 인간이 밝혀낸 여타 입자들만으로 우주를
설명할 수 있겠는가”라는 질문이 바로 그것이다. 혹시 우리가 찾아내지 못한 미지의 입자가 있
지 않을까, 그리고 그 입자들이 우리 우주의 수수께끼를 푸는 열쇠를 쥐고 있지 않을까 하는 의
심을 품은 이들은 계속 새로운 입자를 찾고 있는 것이다. 물질을 이루는 기본 입자인 소립자는
지금까지 밝혀진 것만 해도 수백 종에 이른다. 일일이 입자의 이름을 열거할 수 없자, 과학자들
은 이들을 입자의 기본 성격에 따라 ‘게이지장을 동반하는 입자군’, ‘물질과 강한 상호작용을 하
는 강입자군’, ‘상호작용을 하지 않는 경입자군’ 등 3종류로 나누어 관리하고 있다. 그러나 아쉽
게도 이 많은 입자들을 총동원해도 우주의 비밀을 푸는 데는 역부족이다. 무엇보다도 우주의 질
량을 설명할 길이 없다. 이 문제는 결국 우주가 무엇으로 이뤄졌는지를 알 수 없다는 의미다.
때문에 과학자들은 우리가 미처 발견하지 못한 중요한 입자가 존재하고 있으며, 이것이 우주와
삼라만상의 비밀을 푸는 열쇠를 쥐고 있을 것으로 추측한다.

전 우주 별 합쳐도 겨우 10% 질량  “우주는 대체 무엇으로 이뤄졌을까?” 이 질문은 우주가
인간에게 던진 가장 근원적인 질문이다. 우선 우주의 질량을 알아야 성분을 파악할 수 있고,
우주의 나이와 미래에 대해 설명할 수 있기 때문이다. 그러나 과학자들이 별의 이동 속도를 이
용해(질량을 가진 물질은 중력의 영향 아래에 있기 때문에 공전 속도를 알면 별의 질량을 계산
해낼 수 있다) 추정해낸 우주 질량은 우주가 던진 질문에 명쾌한 대답을 하지 못했다. 전 우주의
별을 모두 합해도 우주 전체 질량의 10% 에도 미치지 못하기 때문이다. 게다가 인간의 관측
능력 범위 밖에 있는 별들과 블랙홀까지 포함해도 전체 질량에는 큰 변화가 없었다. 나머지
90%의 무게는 과연 무엇의 질량일까. 결국 과학자들은 이 90%의 질량을 담당하는 입자가 따로
존재한다는 가정에 의견을 함께했다.

그러나 계산을 반복하면 할수록 중성미자 역시 우주의 질량을 설명할 수 없다는 결론에 도달했
다. 중성미자의 한계질량을 모두 더해도 우주 질량의 1% 정도에 그치기 때문이다. 물론 아직까
지 중성미자의 질량이 정확히 확인되지 않았기 때문에 여전히 중성미자는 우주 질량 수수께끼
의 후보 입자다.
 

계산상 가능, 존재 흔적 찾기 어려움

과학자들은 중성미자 이외에도 2~3개의 후보를 두고 그 존재를 증명하는데 주력하고 있다.
이 후보는 다름 아닌 액시온(axion)과 윔프(wimp). 특히 암흑물질로 알려진 윔프는 우주 질량
물질일 가능성이 가장 높은 입자로 점쳐진다. 문제는 이들 입자를 확인하는 작업이다. 계산상으
로는 가능한 일이 지만 현실적 어려움이 적지 않다. 먼저 이 입자가 우주에 존재하는 흔적을 찾
아야 하기 때문이다. 아직까지도 정체가 드러나지 않았다면 그만한 이유가 있는 셈이다.
이들 입자는 다른 물질과 상호작용을 거의 하지 않고, 전기적으로 중성이며, 빛도 내지 않는다.

다만 과학자들은 드물게 일어나는 다른 물질과 의 상호작용에 실낱같은 희망을 걸고 있다.
중성미자 검출방법과 비슷한 방법을 이용해 이들을 찾아내겠다는 것이다. (중성미자도 물질과
상호 작용을 거의 하지 않는다). 윔프는 질량은 매우 크나 에너지가 거의 없다. 때문에 특정물질
의 핵에 부딪히면, 마치 당구에서의 수구처럼 핵을 밀어내고 자신이 그 자리에 들어앉는다.
따라서 과학자들은 세슘과 요오드로 만들어진 거대한 결정을 땅속 깊은 곳으로 가지고 내려가
윔프가 부딪히길 기다리고 있는 것이다. 만약 윔프가 우주를 구성하는 기본 물질이라면, 지구는
윔프의 바다를 헤치면서 태양 주위를 돌고 있는 셈이므로 윔프의 측정량이 계절별 로 다를 수밖
에 없다. 마치 배가 물살을 헤치면서 나아갈 때 뱃머리에 물이 거세게 부딪히고 배 뒷전에는
잔잔한 것과 마찬가지다.

따라서 이 두 가지 증거를 잡아내면 윔프의 존재를 증명할 수 있다는 게 과학자들의 설명이다.
윔프와 함께 우주 질량을 결정하는 다른 후보로 액시온이 거론된다. 서울대 김진의 교수가 존재
를 예견한 액시온은 전자 질량의 1000억분의 1에 그칠 정도로 매우 가볍지만, 우주를 꽉 메우고
있다고 가정할 경우 우주의 비밀을 풀 기본 입자로서 손색이 없다. 더구나 이 입자는 아주 천천
히 움직이기 때문에 우주 초기질량 분포의 불규칙성을 쉽게 설명할 수 있는 장점도 지닌다.
지금 전 세계 물리학 연구실에서는 이들 입자의 존재를 증명하기 위해 분주하다. 물론 노벨 물
리학상은 자연스레 따라오는 부상일 것이다. 어쩌면 우주 가 던진 수수께끼를 푸는 열쇠를 찾은
셈이니 노벨상이라도 약소할지 모른다. 과연 누가 이 영광을 차지할까. 숨겨진 입자를 찾는
과학자들의 경쟁이 뜨겁게 펼쳐지고 있다.
 

美과학자, '암흑에너지' 존재 입증    뉴시스 | 기사입력 2006-11-17 13:36

중력과 반대되는 힘인 '암흑에너지'의 존재를 입증한 미국 과학자들의 보고서가 15일(현지시간)
발표됐다. 아담 리에스 존스 홉킨스대 교수 겸 미항공우주국(NASA) 천체연구소 연구원은 이날
"90억년 전 동일 크기에서 폭발한 초신성(超新星) 24개 사례를 관찰 연구한 결과 우주가 가속
팽창하고 있다는 결론을 도출했다"며 "이는 물리학 최대 논제인 암흑에너지를 이해하기 위한
중요한 단서라고 생각한다"고 밝혔다. 그는 "이 초신성들은 모두 동일한 크기, 즉 태양의 1.4배
크기에서 폭발했기 때문에 폭발 당시 별의 밝기를 측정함으로써 초신성과의 거리와 우주 팽창
속도를 측정할 수 있었다"고 설명했다.

초신성은 항성 진화 의 마지막 단계에 이른 별이 폭발하면서 엄청난 에너지를 순간적으로 방출,
별의 밝기가 평소의 수억배에 이르렀다가 서서히 낮아지는 현상. 리에스 교수는 "연구 결과 암
흑에너지는 이미 90억년 전부터 우주를 팽창시켜 왔음을 알 수 있게 됐다"며 "암 흑에너지는
오늘날 우주 팽창률이 가속화하고 있는 원인이라고 할 수 있다"고 전했다. 그는 "이는 빅뱅 이후
우주 팽창 속도가 초기에는 낮았으나 400만∼500만년 전부터 가속도가 붙었다는 증거도 강화
해 준다“ 고 밝혔다.

아울러 그는 "우주 상수(常數)라고 불리는 힘이 우주에 퍼져 있다는 아인슈타인의 예측이 맞아
떨어졌다는 증거“ 라고 덧붙였다. 아인슈타인은 중력에 맞서는 암흑에너지를 우주 상수라 부르
고 중력에 맞서 우주의 균형을 유지하는 힘이라고 주장했다. 그는 나중에 자신의 우주 상수
이론을 "최대의 실수"라며 철회했다. 그러나 지난 1998년 암흑에너지를 발견함에 따 라 아인슈
타인의 우주 상수 이론은 다시 주목 받게 됐다. 리에스는 "암흑 에너지에 대해서 아직까지도
이해할 수 없는 부분이 많지만 연구가 올바른 방향으로 진척되고 있다"고 평가했다.

우주의 73% 차지하는 '암흑에너지' 정체는?   2007-10-15 17:51   2007-10-16 01:27

우주에서 정보 삭제할 때 생겨나..압력이 에너지로 바뀌면서 중력 반대방향 힘 발생

플랑크 위성 측정 통해 5~10년 내 이론검증 가능

인간과 물질은 어디에서 와서 어디로 가는 것일까. 무지막지한 폭발로 모든 것이 생겨났고 우주는

계속 팽창한다는 사실은 이제 상식이다. 하지만 우리가 보아 온 우주는 고작 4%에 불과하다는 사실

이 최근 밝혀졌다. 보이지 않는 암흑물질(23%)과 정체를 모르는 암흑에너지(73%)는 연구자들의

최대 관심사다. 고등과학원 연구팀이 암흑에너지의 본질은 ‘우주에서 정보 삭제의 산물’이라는

연구결과를 내놓았다.

 

■ 밀쳐내는 중력_암흑에너지

암흑에너지에 주목하게 된 것은 1998년 미 항공우주국(NASA) 애덤 리스 박사팀이 초신성 관측

으로 우주가 점점 더 빨리 팽창한다는 사실을 규명하면서 부터다. 1929년 허블이 별들이 멀어진다

(즉 우주가 팽창한다)는 충격적 사실을 밝힌 지 70년이 지나 가까운 별(가까운 과거)과 먼 별(더 오랜

과거)이 멀어지는 속도를 정밀하게 비교함으로써 알게 됐다.

최초에 어떤 힘으로 우주가 폭발, 팽창하기 시작했는지도 궁금하지만 팽창 속도가 점점 빨라진다는

것은 더욱 골치 아프다. 왜냐하면 우주에는 별과 가스 등 물질이 있고 중력은 언제나 끌어당기기만

하기 때문에 폭발 팽창하는 힘은 결국 자체 중력에 의해 줄고 우주는 쪼그라들어야 하기 때문이다.

미지의 밀쳐내는 힘, 반대의 중력이 암흑에너지다.

상상초월...지름 10억 광년 빈 공간, 우주의 거대한 구멍 발견    |기사입력 2007-08-24 09:56

미국 미네소타 대학교의 천문학자들이 상상을 초월하는 무의 공간, 즉 우주의 거대한 구멍(지름

1022㎞ = 10억 광년)을 발견 했다고 23일 인터내셔널 헤럴드 트리뷴 등 외신이 보도했다. 이 우주

의 빈 공간에는 별도, 은하도, 블랙홀도 그리고 신비한 암흑 물질도 존재하지 않는다. 우주의 빈

공간은 지금까지 여럿 발견되었지만 이번에 발견된 것에 비하면 난쟁이에 불과하다. 과학자들의

상상보다 1천배 큰 것이다.

‘WMAP 냉점(WMAP Cold Spot)’라 불리는 이 지점은 우주배경복사 지도에서 그 온도가 낮아 검

게 보인다. (사진, 검은 사각형과 붉은 원 속이 그 지점이다). 마이크로 우주 배경복사(CMB)의

광자는 물질이 존재하는 공간을 지나면 에너지를 얻지만, 빈 공간을 통과할 때는 에너지를 잃어

해당 지역은 차갑게 나타난다. 우주의 구멍들은 밀도가 큰 지역의 중력이 밀도 낮은 지역의

물질들을 끌어당김으로써 생성되는 것으로 추정된다. 지름이 10억 광년에 달하는 우주의 거대

구멍은 지구로부터 60~100억 광년 떨어진 에리다누스자리에 위치한다. 미네소타 대학의

과학자들은 이 발견이 검증을 필요하겠으나 이론적으로 거대한 빈 공간일 수밖에 없다고 말했으

며, 인터내셔널 헤럴드 트리뷴과 인터뷰한 다른 과학자들도 대단히 심각하게 다루어져야 할

발견이라고 평가했다.

 

 후에 이 구멍을 뉴사이언티스트 등 해외 과학 매체들은, 일부 과학자들이 지난 8월 발견된 천문

학적 규모의 우주 구멍이 또 다른 우주의 흔적이라는 가설을 내놓았다고 보도했다.8월 발견된

우주 구멍 혹은 우주 공동(void)은 60에서 100억 광년 떨어진 에리다누스 자리에 위치하며 그
지름이 10억 광년에 달한다. 그곳에서는 우주도 별도 암흑 물질도 발견되지 않았다. 우주 구멍
의 크기는 우리 은하의 1만 배에 달해, 말 그대로 상상을 초월하는 규모이다. 그 어떤 우주 이론

도 이 구멍의 존재를 해명하지 못한다.
미국 노스캐롤라이나 대학교의 로라 머시니 하우톤 교수(물리학) 연구팀은 이 거대 구멍에 대한

과감한 가설을 내놓았다.  그 우주 구멍은 “우리 우주 경계 너머에 존재하는 또 다른 우주의 명
백한 흔적"이라는 것이 하우톤 교수의 주장이다.

‘많은 수의 우주들이 공존하며 우주들은 비밀의 통로를 통해 연결되어 있다’는 평행 우주

이론을 근거로 한 과학 영화나 소설이 많았지만, 그 과학적 증거는 없었다.

머시니-하우톤 교수의 주장이 맞다면 또 다른 우주가 존재한다는 것을 보여주는 첫 번째 증거가

될 수 있다. 우주 관측 프로젝트인 ‘WMAP’이 더 많은 자료를 모으면 머시니-하우톤 연구팀의

주장이 사실 인지 확인이 될 것이다.  연구팀의 이론 모델은 우주 구멍이 하나 더 있을 것이라는

또 다른 ‘예언’도 내놓았다. WMAP에 북반구 발견된 우주 구멍 말고, 남반부에서도 유사한 것이

발견될 것이라고 머시니-하우톤 교수 연구팀은 내다봤다.
(사진 : 작은 박스 속 검은 점 -확대하면 둥근 홀 같이 보임- 이 우주 구멍이다)

아인슈타인의 ‘워핑 효과’ 확인, 중성자별 주변에서 시공간 휘어 

아인슈타인이 주장했던 워핑 현상, 즉 물체의 중력에 의해 시공간이 휘는 현상이 중성자별 주변

에서 확인되었다고 미항공우주국과 미시건 대학교의 과학자들이 주장했다. 8일 해외 과학 매체들

이 일제히 보도한 바에 따르면, 과학자들은 뱀자리(Serpens) X-1, GX 349+2 그리고 4U 1820-30

주위에서 워핑이 일어 났다고 말한다. 중성자별들의 표면 부근에서 광속 40%의 속도로 돌아가는

초고온 금속 원자의 스펙트럼선을 연구한 결과, 정상적인 경우 스펙트럼선이 대칭적인 최고점을

보여야 하지만 관측 결과 최고점이 휘어져 나타났으며 이는 상대성 이론의 효과 때문이라고 설명

했다. 막대한 중력에 의한 시공간 휨 현상은 블랙홀 주변에서 지구 주변에서도 확인된 바 있어

이번 발견이 기념비적인 것은 아니지만, 초고밀도 물질의 구성 요소와 가능한 크기를 밝혀내는데

획기적인 성과를 이루었다는 것이 과학 매체들의 평가이다.

중성자별은 우주에서 관측 가능한 물질 중 가장 밀도가 높다. 태양 크기의 물질을 도시 크기로

압축시킨다. 달리 말해 중성자별의 물질을 몇 컵 뜨면 그 무게가 에베레스트 산보다 더 무거운

것이다. 과학자들은 중성자별을 일종의 실험실로 활용한다. 중성자별을 관측함으로써 자연이 만든

극도의 압력이 어느 정도 물질 압축 효과를 낼 수 있는지 연구하는 것이다. 이번에 과학자들은

중성자별이 지름 33km를 넘을 수 없다는 사실이 확인되었다고 보고했다. 디스크 안쪽의 가스

속도는 광속의 40%에 해당한다.

 

우주비밀 '암흑물질' 첫 관측     매일경제. 2007.01.09 08:17:01입력

우주의 진화를 설명해줄 우주의 기본 골격(the universe's skeleton)이 마침내 그려졌다. 국제 연구

진이 우주 전체 질량의 80%를 차지하지만 한번도 인간에게 포착되지 않았던 '유령입자' 암흑물질

(dark matter)의 3차원 분포를 처음으로 확인했다.

미국 캘리포니아공과대학(칼텍)과 제트추진연구소, 독일 막스플랑크 연구소, 일본 에히메대학

등 국제 공동 연구진은 8일자 네이처 인터넷판 에 게재된 보고서에서 허블 우주망원경과 스바루

망원경 관측을 통해 암흑물질의 고해상도 3차원 분포지도를 그려냈다고 밝혔다.

우주 탄생과 진화의 비밀을 고스란히 안고 있는 암흑물질이 처음으로 그 속살을 내비친 셈이다.

우주 전체의 5%에 불과한 별이나 행성, 공기, 생 명체 등 일반물질이 아닌 나머지 80%를 차지하는

암흑물질과 암흑에너 지를 포착하는 것이 그간 현대물리학의 최대 과제 중 하나로 꼽혀왔다.

   

◇‘암흑물질’ 안에서 길러지는 은하의 상상도. 일본 국립천문대 제공 

청색의 뭉게구름 모양이 암흑물질의 덩어리로, 그 가운데 젊은 은하가

길러지고 있다고 천문학자들은 추정하고 있다.

연구진은 질량을 가진 암흑물질이 공간을 일그러뜨려 주변 천체에서 나 오는 빛을 휘게 하는

'중력렌즈 효과'에 주목했다. 형태가 부자연스럽게 일그러진 은하를 관측하면 주변에 암흑물질이

있을 것으로 본 것이다. 600여 차례의 허블 우주망원경 관측을 통해 사자좌 방향에 있는 50만여

개 은하와 그 주변 공간을 집중 관측하고 80억 광년 규모에 달하는 암흑 물질의 입체 구조를

밝혀냈다.

김선기 서울대 암흑물질연구단 교수는 "20년 넘게 가설로 남아 있던 암흑물질의 존재가 입증된

것으로, 우주 진화에 대한 큰 힌트를 얻게 됐다"면서 "하지만 암흑물질 그 자체를 관찰하는 것이

아직 숙제로 남아 있다"고 설명했다.

  우주 구성물질의 4분의 3 차지

암흑에너지는 이미 우주의 탄생과 더불어 우주에 가득 차 있었는데 우리는 불과 10년 전에서야

그것을 깨달은 것이다. 천문학자들은 우주를 구성하고 있는 모든 물질의 4분의 3이 바로 이 암

흑에너지라는 것이다. 에너지와 물질의 관계는 아인슈타인이 이미 1905년에 특수상대성 이론
의 그 유명한 공식 E=mc2을 통해서 물질이 곧 에너지이고 에너지가 물질이라는 것을 밝혔기
때문에 암흑에너지가 우주를 구성하는 물질이라고 말할 수 있게 된 것이다.

앞으로 이 암흑에너지를 직접 검출할 수 있게 된다면 그것은 21세기에 가장 위대한 발견 중의
하나가 될 것이 분명하다. 아무튼, 이 암흑에너지의 정체를 완전히 파악하기 위해서는 많은
시간이 걸릴 것이지만 지금까지 알려진 바로는 이 암흑에너지가 우주 전체에 영향을 미치면서
자신의 존재를 과시하고 있다는 것이다. 우주 안의 모든 별과 은하 그리고 은하단이 만들어지고
변해가는 모든 과정이 암흑에너지의 개입으로 이루어지고 있다는 것이다. 결국 우리는 암흑에
너지가 만든 작품을 천체에서 감상하고 있는 셈이다.

천문학자 허블은 은하들이 빠른 속력으로 우리로부터 멀어지고 있다는 것을 알아냈다. 이 멀어
지는 속력은 거리에 비례한다. 따라서 멀리 떨어져 있는 은하는 더 빠른 속력으로 멀어진다.
이것을, 은하들이 공간 속을 이동해 간다고 생각하는 것보다는 은하들이 들어있는 공간 자체가
팽창하기 때문에, 팽창하는 공간에 실려 가고 있다고 생각하는 것이 좋다. 그렇다면 이러한
팽창은 계속해서 일어날 것인가 아니면 얼마 정도 팽창하다가 멈출 것인가?

이런 질문에 대한 상식적인 답은 ‘멀어져 가던 은하들이 서로 잡아당기는 중력에 의해서 팽창
속력이 점차 줄어들 것’이라는 것이다. 따라서 팽창 속력을 오랜 시간 동안 측정하여 팽창 속력

이 변한다는 것을 밝히는 것은 아주 중요한 연구 과제로 되어왔다. 오랜 관측을 통해서 드디어
팽창 속력이 변한다는 것을 알아냈다.
 

그 증거는 지구로부터 아주 멀리 떨어진 곳에서 일어난 초신성 폭발과 관련된 것이다. 물이
흐르는 수면만 바라보며 속도를 측정하는 것보다 물 위에 버들잎이라도 띄워놓고 그 잎이 흐르
는 속도를 측정하는 것이 쉬운 것과 같이 초신성의 엄청난 폭발이 우주팽창의 측정에 표식자의
역할을 하게 된 셈이다. 이러한 관측을 통해서 밝혀낸 사실은 우주팽창이 과거에는 오늘날보다
느렸으며 점차 가속되기 시작했다는 것이다. 좀더 구체적으로 말하자면 팽창이 잠시 느려졌다
가 어느 시점에 전환기를 겪고 나서부터 다시 가속되기 시작했다. 이것은 매우 놀라운 발견이
다. 이러한 발견은 별도로 추진된 다른 연구를 통해서도 검증된 사실이다. 예를 들면 윌킨슨
극초단파 비등방성 탐사선이 우주의 극초단파 배경복사선을 연구한 결과에서 같은 사실을
발견할 수 있었다.

 

우주. 220억년 뒤 산산조각       동아사이언스 
 
올 들어(2007년) 세계 천문학계에 지각변동이 일어나고 있다.
우주의 나이는 얼마인가? 우주는 무엇으로 이루어져 있나? 미래에 우주는 어떻게 될까? 이런

기본적인 질문에 우물쭈물해왔던 천문학자들이 요즘 자신 있는 대답을 내놓기 시작했다.

지상 150만km 상공에 떠 있는 위성 WMAP가 맹활약하면서 우주의 수수께끼를 풀어내고 있기

때문이다. 미 항공우주국이 2001년 6월 발사한 이 위성은 우주의 모든 방향에서 오는 우주배경

복사를 관측하고 있다.

우주배경복사는 빅뱅(big bang)이 일어나고 38만년 뒤 물질과 빛이 처음 분리될 때 나온 ‘태초의
빛’이다. 이 빛은 빅뱅의 잔해로 여태까지 남아 절대온도 2.73도로 우주를 가득 채우고 있다. WMAP 위성은 우주배경복사가 얼마나 적색편이가 됐는지 측정했다. 적색편이란 어떤 물체가 멀

어질 때 물체가 내는 빛이 원래의 빛보다 붉어지는 현상이다. 멀어져 가는 기차의 기적소리가 원래

음보다 낮아지는 것과 같은 원리다. 적색편이를 관측하면 태초부터 현재까지 우주의 팽창속도를

알 수 있다. 천문학자들은 관측자료를 종합해 시간이 흐를수록 우주의 팽창속도가 빨라지고 있다

는 사실을 확인했다. 현재의 우주 팽창속도는 1메가파섹(약 300만 광년) 당 초속 71km다. 팽창

속도로 우주의 나이도 정확히 계산했다. 그 동안 천문학자들은 우주의 나이를 100억∼150억년

으로 어림잡아 왔으나 이번에는 137억년(오차범위 2억년)이라는 결론에 도달했다.

한편 우주의 미래에 대해서는 2개의 유력한 시나리오가 있었다. 우주가 지금처럼 팽창하다가

결국은 다시 수축해 한 점으로 돌아간다는 빅 크런치(big crunch) 시나리오와 영원히 지금의 속도

로 팽창한다는 시나리오였다. 그런데 이도 저도 아니고 팽창속도가 빨라진다는 결론에 이르게 된

것이다. 우주의 팽창이 빨라지는 것은 중력과는 반대 방향의 힘인 ‘암흑에너지’가 우주를 잡아당

기고 있기 때문이다.
암흑에너지는 2년 전 존재가 확인됐으나 전혀 정체를 모르는 상태다. 하지만 WMAP 위성은 우주

의 73%가 암흑에너지로 이루어져 있고 23%가 암흑물질이라는 것을 밝혀냈다. 밤하늘의 별이나

행성처럼 원자로 이루어진 물질은 우주 전체의 4%에 불과했다. 그 동안 천문학자들은 우주의 90%

이상이 암흑물질이고 중성미자를 유력한 암흑물질로 생각해왔다. 그러나 위성관측을 통해 중성

미자는 우주의 0.76% 미만인 것으로 밝혀졌다.

천문학자는 “우주가 팽창을 해도 암흑에너지는 단위 부피 당 에너지가 늘 그대로 있지만 물질이나

빛은 우주가 팽창하면서 단위 부피 당 에너지가 줄기 때문에 우주가 가속 팽창하는 것”이라고

설명한다.
브레이크 없는 자동차처럼 우주가 가속 팽창하면 우주의 운명은 어떻게 될까? 미국 다트머스대

로버트 칼드웰 교수와 캘리포니아공대 연구팀은 이렇게 팽창이 빨라지면 220억년 뒤에는 우주가

산산조각이 나 결국 ‘빅 립(big rip)’으로 최후를 맞을 것이라는 논문을 최근 발표했다. 립이란 찢어

진다는 뜻이다. 칼드웰 교수는 “빅 립 6000만년 전에는 은하가 해체되고, 3달 전에는 태양계에서

행성이 떨어져 나가며, 30분 전에는 지구가 폭발하고, 마지막 순간에는 원자마저 조각날 것”이라고

 밝혔다. 아직은 시나리오에 불과하지만 정말 이렇게 된다면 우주는 다시 티끌(?)로 되돌아 가게

되는 셈이다







이처럼 최초로 생성된 천체인 구상성단을 이루고 있는 별이 태어난 후 적색거성으로 변하는 데 걸리
는 시간은 별의 질량에 좌우되는 것으로 나타났다. 무거운 별일수록 핵융합반응이 더 빨리 진행되기
때문에 빠른 속도로 적색거성으로 변하지만 상대적으로 가벼운 별은 천천히 진행한다.

예컨대 태양보다 질량이 10배 정도 큰 별은 생성 된지 1000만년이 지나 적색거성으로 변하지만

태양보다 질량이 3배 정도 큰 별은 대략 4억년 후에,그리고 태양과 같은 별은 100억년이 지나서야

적색거성이 된다. 따라서 구상성단 내에서 막 적색 거성으로 변하고 있는 별들의 밝기를 측정하면

그 나이를 계산해낼 수 있다. 현재까지 허블 망원경으로 발견된 것 가운 데 우리 은하에서 나이가

가장 많은 구상성단은 대략 130억년 전에 생성된 것으로 추정되고 있다. 이 계산에 기초 하자면

우주 의 나이를 최소한 130억년 이하로 잡는 것은 과학적 진실이 아니라는 결론에 도달한다.

천문학자들은 측정된 우주의 나이를 확인하기 위해 이런 직접적인 방법 외에 이른바 ‘빛여행시간

효과’ 등 간접적인 방법도 활용하고 있다. 오늘 밤 어느 별을 관측하는 일은 그만큼 시간적으로

과거 별의 모습을 보는 것이다. 왜냐하면 그 별을 떠난 빛은 우리 눈에 도달할 때까지 상당한 시간

이 걸렸을 것이고 그만큼 먼저 출발한 빛을 오늘 밤에야 관측하기 때문이다. 이를 ‘빛여행시간효

과’라 한다.
태양을 제외하고 우리와 가장 가까운 별은 남쪽 하늘에서만 볼 수 있는. ‘알파 센타우리’다.

이 별은 4광년 정도 떨어져 있다. 오늘 밤 이 별을 관측한다면 우리는 4년 전 모습 을 보고 있는 것

이다. 그 별빛은 이미 4년 전에 떠 난 것이기 때문이다. 빛이 우리를 향해 다가오는 동안 시간은

그만큼 과거로 거슬러올라 가는 효과가 있다.
천문학자들은 더 먼 거리의 별, 나아가 빅뱅 직후 생성된 일종의 태초의 별 모습을 사냥키 위해

더 큰 망원경을 만들고 있다. 우주 초기의 모습을 보기 위해 망원경의 크기는 계속 커지고 있다.

그렇지만 지구 대기권에 의한 별빛의 산란과 흡수 효과 때문에 아무리 큰 망원경을 사용한다

해도 초기 우주의 모습을 선명하게 관측하는 데는 한계가 있다. 이 때문에 대기권 밖의 우주 공간

에 망원경을 쏴올려이러한 문제를 극복하고 있다.

 

바로 허블 우주 망원경이다. 잘 알려진 대로 허블 망원경은 구경이 불과 2.4m로서 하와이 마우나

케아산 정상에 설치된 구경 10m나 칠레 안데스 산맥에 설치된 구경 8.2m짜리 거대망원경(VLT)

보다 훨씬 작은,중형 망원경에 불과하다. 하지만 지상의 초대형 망원경으로도 관측할 수 없는

선명한 천체의 모습을 허블은 잡아내고 있다. 이런 허블 망원경은 대략 100억 광년 떨어진 은하의

영상을 현재 우리에게 보여주고 있다. 역시 우주의 나이는 적어도 100억년 이상이라는 점을 이

망원경 은 영상을 통해 우리에게 보여주고 있는 것이다.
 

허블 상수 (The Hubble Constant)

은하들에 대한 팽창 속도(v)와 거리(d)의 관계는 다음과 같이 쓰여질 수 있다.          v = H × d 

여기서 H 는 비례상수(proportionality constant), 또는 허블상수(Hubble constant)이다. 그리고

v는 겉보기속도(apparent velocity)이다. 즉, 속도가 정말로 적색편이의 원인이었다면, 관측된

적색편이를 만드는 속도이다. 그 공식에 의하면, 은하들의 속도는 우주 바깥쪽으로 거리가 멀어짐

에 따라 직선적으로 증가한다. 허블의 관계식은 수십억 광년의 스케일로 은하의 거리들을 측정하는

데에 매우 많이 사용 된다. 이 기법에서는 첫째, 근처에서 후퇴하고 있는 은하(보정은하, calibration

galaxies)들 중에서 v와 d가 같이 알려져 있는 은하들을 선정한다. 이것으로부터 H 의 값이 결정되

어질 수 있다. 그 다음 먼 거리의 은하들은 적색편이를 측정하여 그들의 속도를 알아낸 다음, 은하

들까지의 거리가 계산되어지는 것이다. 그러나 실제 적용한다는 것은 그렇게 간단한 것이 아니다.

허블상수를 결정하는, 허블법칙의 보정은 하나의 어려운 문제임이 입증되었다. 은하들의 속도 v는
적색편이가 진정한 별들의 운동에 기인한다는 가정 하에서 측정되어질 수 있는 것이다. 그리고 은하
들의 거리는 더 큰 도전이 되고 있다. 하나는 전형적으로 다른 은하에서 거리를 알 수 있다는 세페

이드 변광성에 대한 것이다. 그리고 이들 보정 은하(calibration galaxies)들은 예를 들면 허블의

관계식이 이용되지 않는 안드로메다 훨씬 너머에 있는 것들이어야만 한다. 안드로메다 은하는

우리의 근처에있는 30개 정도의 국소적 은하 그룹들에 속해 있다. 안드로메다는 사실 중력적

인력(gravity attraction)에 기인하여 우리의 은하계(Milky Way)쪽으로 움직이고 있으며, 그 빛은

약간의 청색편이(blue-shift)를 보여주고 있다. 빅뱅 모델에서는 우주 자체가 팽창하고 있다는

주장하는 것에 주목하라.

이 과정에서 은하들은 바깥쪽으로 움직이고 있는 것이다. 많은 최근의 활동에는 대략 5,000만

광년 떨어져 있는 은하계의 큰 처녀 자리(Virgo cluster)에 있는 맥동하는 변광성 세페이드

(Cepheids)를 탐지해오고 있는 것을 포함하고 있다. 이 은하들은 허블상수에 대한 대략적 평가를

할 수 있게 한다.
이것을 외삽하여, 처녀자리보다 훨씬 멀리 떨어져 있는 은하들의 거리를 평가하는 데에 허블 법칙

이 사용되어진다. 이것은 ‘붓스트랩 기법(bootstrap technique)’ 이라고 불려지는 것으로, 나중의

결론이 초기의 비판 받고 있는 측정에 강하게 기초하고 있는 것이다. 초기의 작은 실수는 나중에

의미 없는 결과를 가져올 수 있다.

허블 법칙에 사용되는 단위는 다음과 같다.      v (kilometer/second) = Hd (megaparsecs)
처녀자리 은하의 전형적인 후퇴 속도는 대략 1,200 km/second 이다. 1 파섹(parsec)는 3.26

광년이다. 1 메가파섹은 1백만 파섹이고, 326만 광년, 또는 18×1018 마일 (29×1018 km) 이다.

빅뱅 시나리오에서, H 는 중력에 의한 점진적인 제동 효과 (braking effect) 때문에, 시간이 지나

면서 감소해 왔다고 생각하고 있다. 상수는 우주가 얼마나 빠르게 팽창하고 있는지에 대한 측정값

이다. 그리고 이 팽창은 우주가 젊었을 때 더 컸을 것이라는 것이다. 따라서 H 는 정확하게 말하면

 상수가 아니라, 변화하는 변수이다. 빅뱅 열광자들에게, H 의 역수는 우주 나이의 하나의 상한선

(an upper limit)이 되고 있다. 이 단위들과 더불어, H 의 역수가 우주의 나이(년)를 나타내기 위해

서는 9.64×1011을 곱해야만 한다. 따라서 H = 50 이라면

Universe age = 1/50 × 9.64 × 1011 = 19.3 billion years






 <과학> 우주 팽창 수수께끼 곧 풀릴 듯   연합뉴스;08-02-04 09:37

우주의 팽창에 가속도가 붙는 이유가 곧 밝혀질 것 같다고 여러 나라 과학자들로 이루어진 연구
팀이 네이처지 최신호에서 발표했다.
과학자들은 약 140억년 전 빅뱅에 의해 시작된 우주의 팽창이 은하간 상호 인력에 의해 둔
화될 것으로 오랫동안 추측해 왔지만 약 10년 전 놀랍게도 우주 팽창 속도가 오히려 빨라지
고 있다는 사실이 처음으로 밝혀졌다.이런 현상을 설명하는 이론은 상반된 두 가지로 갈라
진다.하나는 존재할 것으로 추측되긴 하지만 실제로 관측된 적은 없는 이른바 `암흑에너
지'로 우주가 채워져 있기 때문이라는 것인데 암흑에너지는 은하들 사이에 작용하는 중력
의 끌림 현상을 상쇄한다는 것이 이 이론의 핵심이다.두번째 이론은 암흑 에너지 자체가
존재하지 않는다는 것이다. 만일 이 이론이 맞다면 우주에서 작용하는 최대의 힘이 중력이
라는 기존 이론 자체가 틀린 것이며 그럴 경우 우주에 또다른 차원들이 존재해야만 우주
팽창이 설명된다.그러나 이 두 이론 가운데 어느 것도 아직까지 관측에 의해 뒷받침되지
않고 있는데 이탈리아 천문학자 루이지 구조가 이끄는 51명의 국제 연구팀은 새로운 접

근방법으로 이 문제를 풀 수 있을 것으로 보고 있다.이들은 유럽우주국이 운영하는 칠레의VLT
(극대배열전파망원경)을 이용해 지난 30년 동안 약 1만개의 은하의 분포와 움직임을 관찰했
다. 이 관찰의 목적은 우주의 줄다리 기 현상을 일으키는 힘, 즉 은하들을 서로 밀어내는 우
주의 전반적인 팽창현상과 은하들을 서로 이끌리게 하는 중력을 측정하는 것이다.연구진
은 은하들의 이동 속도를 직접 측정하는 방법으로 팽창하는 우주의 3차원 지도를 만들 수
있었으며 이를 통해 은하 내부의 움직임에 관한 자료도 수집할 수 있었다.연구진은 우주의
역사에서 시기 별로 일어난 왜곡의 범위를 측정하는 방법으로 암흑에너지의 성질을 알아
낼 수 있을 것으로 생각했으며 지름 8.2 m짜리 VLT 망원경 4개 가운데 하나에 장착된 X선
분광계로 보름달 20개 너비의 우주 영역에서 수천개의 은하들 을 측정했다.그 결과는 아직
확정적인 단계는 아니지만 암흑 에너지가 존재한다는 가설과 일치하는 것으로 나타 났다.
연구진은 앞으로 관측 영역을 10배로 늘릴 계획이며 결과가 나오면 우주 팽창의 가속도가
암흑 에너지 때 문인지, 아니면 중력의 법칙을 수정해야 할 것인지를 알 수 있게 될 것이라
고 말했다.최신 연구 모델에 따르면 우주 에너지의 73%는 암흑 에너지인 것으로 나타났다

물질 입자·파동 상호 보완성’ 규명   세계일보;08-02-04, 11:21

자연계에서 물질은 ‘입자’의 형태로 관측되는데 물리학적으로 물질은 입자성과 파동성이
상반되면서 상호 보완 적인 성질을 보이며, 입자성이나 파동성의 발현 여부는 물리학의 ‘상
보성’ 원리에 의해 결정된다. 이들은 반도체 나노 소자 제작 공정을 이용해 환형(環形) 구조
의 ‘전자간섭계’를 제작해 이 구조를 통과하는 전자의 ‘간섭현상’을 관측했다. ‘간섭현상’은
두 개의 파동이 한 점에서 만나 서로 합해지거나 상쇄됨으로써 파동의 진폭이 강화되거나
약화되는 현상을 말한다.연구팀은 이 실험을 통해 전자가 파동성과 입자성 중 어느 특성을
나타낼지 여부는 ‘간섭계 내부의 전자경로 정보를 얻을 수 있는지의 여부에 달려 있다’는
사실을 밝혀냈다.
 

우주탄생 ‘비밀의 문’을 열다     2008년 3월 20일(목) 3:03 [동아일보]

한미일 연구진, 물리학 최대 수수께끼 풀 단서 찾아 ‘네이처’ 발표

우주 탄생의 신비를 풀 새로운 문이 한국 과학자를 포함한 국제 연구진에 의해 열렸다. 국제연
구그룹인 ‘벨(Belle)’은 빅뱅 이후 현대 우주를 탄생하게 만든 ‘물질과 반물질의 비대칭성’ 문제
에 대한 새로운 증거를 찾았다고 과학학술지 ‘네이처’ 20일자에 발표했다. 벨 그룹에는 최영일
성균관대 물리학과 교수를 비롯해 고려대 경상대 경북대 서울대 연세대 한양대 과학자들이 참
여했으며 해외에서는 일본 고에너지연구소와 미국 프린스턴대 등 55개 기관이 참여했다.
물질과 반물질의 비대칭성 문제는 물리학계 최대 수수께끼 중 하나로 1960년대 제기된 후 아직
해결되지 않았다. 빅뱅 이후 물질과 반물질이 만들어졌는데 이론상 반물질과 충돌해 모두 소멸
해야 할 물질이 어떻게 살아남아 현재의 우주를 만들었느냐는 것이 핵심이다. 최 교수는 “일본
에 있는 전자-양전자 충돌가속기를 이용해 B-중간자라는 입자를 대상으로 실험한 결과 이 입
자에서 물질과 반물질의 붕괴 과정이 각각 다른 현상, 즉 비대칭성을 확인했다”고 밝혔다. 물리
학자들은 물질과 반물질의 비대칭성이 확인되면 빅뱅 이후 물질 일부가 반물질과의 충돌에서
살아남아 현재 우주를 만들 수 있다고 주장해 왔다.중간자는 가장 작은 입자인 소립자 2개가 모
여 만들어진 것이다. 최 교수는 “예전에는 입자의 성질에 상관없이 비대칭성이 같을 것으로 예
상했으나 이번 실험 결과 전하를 띤 입자와 중성의 같은 입자에서 비대칭성이 각각 7%와 ―
10%로 달라지는 특이한 현상을 발견했다”고 말했다. 그는 “이번 연구는 우주의 탄생을 엿볼 수
있는 새로운 단서”라며 “물질과 반물질의 관계를 정확히 밝혀낸다면 빅뱅 이후 우리가 살고 있
는 우주가 만들어진 과정을 자세히 알 수 있을 것”이라고 설명했다.