암흑물질, 암흑에너지의 실체?

흔히 우주의 구성 성분을 얘기할 때 우리 눈에 보이는 4%의 물질과 23%의 암흑물질, 그리고 나머지 73%의 암흑에너지로 이루어져있다고 얘기한다. 그렇다면 도대체 이 암흑물질 과 암흑에너지는 어떤 것이며 우주팽창에 관련해 어떤 관련성이 있을까? 

암흑물질의 발견 과 증거

사실 암흑 물질에 대해서는 아직까지도 확실히 알려진 부분이 없다. 그렇기에 암흑이라는 이름으로 통칭하여 물질과 암흑에너지로 구분지어 부르고 있는 것이다. 비록 눈에 보이지는 않지만 암흑물질의 존재는 확실하며 이는 중력작용으로 인해 증명된 바 있다. 암흑물질을 최초 발견하고 이름을 만든 사람은 '프리츠 츠비키' 라는 천문학자인데 1933년에 은하의 속도를 측정하는 과정에서 은하의 전체 질량과 중력에 비해 너무 빠르게 움직이는 점을 근거로 하여, 눈에 보이지 않는 불명확한(암흑) 물질로 가득차 있다고 생각했다. 질점에 가까운 천체는 빠르게 공전하고 반대로 먼 천체는 느리게 공전하여야 하지만 은하의 외곽으로 갈수록 공전속도가 빨라지는 것을 발견하고 이는 곧, 관측은 되지 않으나 수많은 양의 질량이 외곽의 별 공전속도에 영향을 주는 것으로 확신하게 된다. 

암흑 에너지는 암흑물질과 이름이 비슷하지만 사실 정반대의 개념이라고 생각하면 된다. 즉, 암흑물질은 끌어당기는 힘의 중력작용이지만 암흑에너지는 밀어내는 힘이다. 보통 우리가 측정 가능한 물질은 측정 장치에 검출이 되야 측정 및 분석이 가능한데, 이 암흑물질 과 에너지는 물질 반응도가 거의 없어 측정이 힘들다. 하지만 암흑물질 자체가 중력에 반응하고 공간을 형성하는 역할을 하며 그것의 상태에 따라 공간이 변한다는건 알 수 있다. 즉 다시 말해 암흑물질 또는 암흑에너지는 변화를 시키는 입자가 분명히 존재를 하고 그것이 어떤 물질의 상태로서 구조를 형성 할 수 있음을 시사한다. 

시공간의 팽창을 주는 존재, 암흑에너지

우주가 지속적으로 팽창을 한다면 암흑물질처럼 물질들 끼리 잡아당기는 중력을 이겨 낼 수 있는 밀어내는 힘, 즉 척력이 존재해야 한다. 바로 이 존재가 암흑에너지 이며 시공간에 내재된 성질 또는 진공이 갖고 있는 성질이다. 이 역시 이론적으로 존재의 확신만을 가지고 얘기를 하지만 아직 밝혀진 바는 전혀 없다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면, 시공간이 늘어나기 위해서는 암흑에너지는 압력이 음수로 주어야 하는 어려운 성질을 갖게 된다. 음의 압력을 가지면 공간이 팽창하여 내부 에너지가 증가하는 성질을 가지고 있어서 공간의 팽창을 더욱 가속화 시킨다. 하지만 이와 같은 암흑에너지가 갖는 특성은 물질 입자로 이뤄진 우리 주변에서 찾아볼 수 있는 것과는 반대의 개념이다.  

감속의 힘을 가지고 있는 중력의 암흑물질과 밀어내는 척력의 암흑에너지, 지금의 우주는 아마도 이 둘의 힘의 대결에 의해 여기까지 흘러 왔다고 볼 수 있을 것이다. 지금은 암흑에너지가 더 큰 분포를 차지 하고 있어서 계속해서 팽창하고 있지만, 우주 탄생 초기에는 암흑물질이 더 많아서 감속 팽창하였다고 한다. 

현재의 이론으론 도저히 설명이 되지 않는 음의 압력을 지닌 암흑에너지가 지배하고 있는 상황이다. 이제 우리의 숙제는 바로 이 우주를 지배하고 있는, 하지만 정체가 전혀 파악이 되지 않는 두 성분을 규명하는데 있을 것이다. 이 둘의 정체를 밝히기 위해서는 여전히 별개의 이론으로 존재하는 상대론과 양자론이 통일된 완전한 이론이 등장이 요구 된다. 또한 축구장 크기 정도 되는 엄청난 크기의 첨단 미세 망원경을 통한 먼 우주의 관측을 통한 연구가 뒷받힘 된다면 언젠가 우주의 비밀과 실마리는 푸는데 역사적인 순간이 오지 않을까 기대한다.