우주는 어떻게 구성 되어 있는걸까?

우리는 지금까지 우주는 아주 작은 단위의 수소 원자에서 부터 이러한 원자들로 구성된 보통의 물질인, 바리온 그리고 광자, 중성미자 등으로 구성요소로 알고 있다. 그런데 이런 물질들은 우주 전체 안에서 겨우 4%에 불과하다는 사실을 알고 있었는가? 나머지는 아직 불정체성의 물질 요소 로서, '암흑' 형태의 '물질' 이라고 하여 '암흑물질' 이라고 칭 한다고 한다. 따라서 우주의 총 에너지의 24%는 암흑 물질 형태로, 나머지 72%는 암흑 에너지 의 형태로 존재 한다고 알려져있다.

암흑물질의 발견과 증거

미국 켈리포니아 공대의 츠위키 교수가 1930년대에 은하단 내의 은하의 움직임을 관찰 하던 중 은하단 내에는 보이지 않는 엄청나게 많은 물질의 존재를 발견 하게 되었다. 예를 들어서 1,000 개의 은하로 구성된 은하단을 관찰 한다고 했을때, 그 은하의 움직임이 7,000개의 은하로 이루워진 은하단의 움직임과 같이 빠르다는 것을 알게 된 것이다. 이런 식으로 빨리 도는 은하는 은하단의 중력계를 벗어나야 하지만 그러지 않고 은하단의 중력계에 잡혀 있는 것으로 나타났다. 이런 관측 결과를 근거로 하여 은하단 내에는 보이지 않는 물질이 있다고 추측을 하기 시작하였다. 

증거의 재 발견

사실 츠위키 교수의 발견은 당시에는 큰 관심을 받지 못하였다. 아마도 30년대 후반에 들어서야 이제 겨우 우리 은하계 외에 다른 은하들이 존재 한다는 사실을 알게 되었으니 무리도 아니였을 것이다. 그로부터 40년 후에 여성 천문학자인 베라 루빈은 나선은하 회전을 연구하던 중 암흑물질의 존재를 또 한번 발견 하게 된다. 그녀의 관측 결과에 따르면 나선은하의 회전은 태양계와는 달리 케플러의 법칙을 따르지 않았다. 

 태양중력장의 영향을 가장 크게 받는 수성을 예로 들면, 태양의 중력과 평형을 이루려면 아주 빨리 회전을 해야 원심력으로 가능 한데, 반면 중력장의 영향을 적게 받는 해왕성의 경우 천천히 공전을 해도 궤도를 유지가 가능 하다. 이를 근거로 해서 나선은하도 은하의 중심부로 부터 밖으로 갈수록 회전 속도가 줄어들어야 할 것으로 예상을 하지만 관측 결과는 오히려 나선은하의 회전 속도가 중심부와 비슷하거나 심지어 어떤 은하에서는 회전 속도가 바깥 부분에서 더 컸다고 한다. 

이런 관측 결과를 우리 태양계에 비추어 얘기를 해보자. 바깥쪽 행성들이 안쪽 행성들과 같거나 빠른 속도로 공전을 한다면, 바깥쪽 행성들이 태양계 밖으로 떨어져 나가야 되는데, 나선은하들은 그런 현상이 이러나지 않고 오히려 매우 세밀하게 중력과 원심력이 균형을 이루고 있는 것으로 확인 되었다. 

암흑물질의 확인

1930년에 츠위키 교수가 처음으로 발견한 이 암흑물질의 존재는 베라 루빈에 의해 1975년에 미국 천문학회에 암흑물질의 증거에 대해 발표를 하였다. 하지만 이런 새로운 발견에도 불구하고 암흑 물질의 존재를 받아 들여지지가 않다가 1980년 중간에 들어서 이 주장을 뒷받침 하는 연구 결과들이 나오기 시작하면서 암흑 물질의 존재가 일반적으로 받아들여지기 시작한다. 마치 초기 빅뱅이론을 허무맹랑한 가설로만 여겨지다가 시간에 지나면서 우주배경복사 를 비롯한 증거들이 축적됨에 따라 확정 된 것 비슷한 과정인 것 같다. 

이 처럼 과학계에서는 새로운 발견이 정설로 인정 되기 까지 짧게는 수년, 길게는 수십년이 걸린다고 한다. 우리가 알고 있는 그 유명한 아인슈타인의 광양자설에 대한 얘기도 1905년에 발표 되어 그 공로를 인정 받기 까지 16년이 걸렸으니, 혹자는 노벨상을 받으려면 업적은 물론이고 수명도 길어야 한다는 우스갯 소리도 있다. 베라 루빈 또한 1994년에 들어서야 공로를 인정 받아 미국 천문 학회에서 수여하는 최고 영예인 헨리노리스러셀링상을 받게 된다.

지금까지 얘기한것처럼, 각 은하의 중심부에는 별과 같은 바리온 물질들이 더 많지만 바깥으로 갈수록 이런 암흑물질이 압도적으로 많다는 사실을 알게 되었고, 또한 그 분포 범위도 별들보다 더 넓게 퍼져있다는것도 밝혀졌다. 이런 암흑물질에 관련된 연구들이 계속 진행이 되서 우리가 몰랐던 새로운 발견이 되는 날도 멀지 않은것 같다.