어두운 물질, 다크 매터, 암흑 에너지
2001년 6월 25일 ~ 29일
컨퍼런스
물질은 어디에 있는가?
2001년 6월 25일부터 29일까지 마르세유에서 국제 컨퍼런스가 개최되었으며, 200명의 참가자 중 140명이 발표를 하였다. 주제는 "물질은 어디에 있는가?"였다. 또한 부제로 다음과 같은 내용이 있었다:
새로운 대규모 조사 프로그램을 통해 밝은 물질과 어두운 물질을 추적하기
번역:
새로운 대규모 관측 장비를 이용한 광학적 관측 물질과 어두운 물질의 지도 제작.
이 단어들은 매우 중요한 의미를 지닌다. 이는 바로 이 컨퍼런스가 어떤 이론적 틀 안에 위치함을 시사한다. 즉, 우주는 하나이며, 두 가지 구성 요소를 지닌다는 전제가 있다. 하나는 우리의 관측 수단으로 접근 가능한 물질(가시광선, 자외선, 적외선 등 전자기파를 기반으로 한 관측 범위 내)이고, 다른 하나는 현재까지는 이러한 관측 방식으로 탐지되지 못한, 일반적으로 '어두운 물질'이라 불리는 존재이다. 영어로는 'Dark Matter'라고 한다. 어떻게 이러한 어두운 물질을 관측하고 지도를 그릴 수 있을까? 일반적으로, 관측된 은하나 은하단의 가시물질만으로 설명할 수 없을 정도로 지나치게 큰 중력 렌즈 효과를 관측함으로써 가능하다. 또 다른 방법은 관측된 천체들의 운동학적 파라미터를 기반으로 하는 것이다.
중력 렌즈 효과의 '비정상적으로 큰' 특징이 확인되기 전부터, 프리츠 짜이키는 은하의 회전곡선 분석이나 은하단 내 은하들의 운동 속도 측정을 통해, 관측 가능한 물질만으로는 이러한 구조의 안정성을 유지할 수 없다는 결론을 내렸다. 회전곡선이란, 은하의 중력장 내를 궤도를 도는 은하간 가스에 대해 도플러-피조 효과를 이용해 측정한 것이다. 이 가스는 분명히 너무 빨리 회전하고 있으며, 특히 가장 외곽부에서 특히 두드러진 '평탄한 팔' 구조가 나타난다. 은하단은 은하들이 '분자'인 '가스 덩어리'에 비유된다. 천문학자들이 말하는 은하들의 '자기 속도'는 가스 분자의 열운동 속도에 해당하며, 이는 모든 방향으로 무작위로 분포된다. 이 가스의 개념을 유지하면서, 열운동 속도와 밀도의 조합은 '압력'을 형성한다. 이는 단위 부피당 운동 에너지 밀도를 나타내는 것이다. 은하간 가스 구름은 중력이 분산을 일으키는 압력과 균형을 이루기 때문에 흩어지지 않는다. 만약 천문학자들이 수천 개의 은하로 이루어진 은하단을 가스 덩어리에 비유한다면, 은하들의 열운동 속도와 관측된 질량을 기반으로 계산된 압력은 중력이 균형을 이루기에는 너무 크다. 반대로, 은하단의 질량을 알고 있다면 탈출 속도를 계산할 수 있다. 짜이키가 지적했듯이, 은하단에 속한 은하들의 개별 속도는 그 은하단의 탈출 속도를 초과한다. 만약 추가적인 힘이 작용하지 않는다면, 이 은하들은 오래 전에 은하단에서 벗어났어야 했다. 은하의 별들 역시 마찬가지이다. 따라서 이 문제는 매우 실제적인 것이며, 핵심은 이 현상에 대한 해석에 있다.
현재 천문학자들의 일치된 답변은 '어두운 물질'이라는 이름을 갖고 있다. 그러나 누구도 이 '어두운 물질'의 본질이 무엇인지 밝히지 못하고 있다. 그러나 누구도 이러한 관측된 효과가 현재 관측되지 않은, 양의 질량을 지닌, 조용히 우리 유일한 우주에 존재하는 구성 요소의 존재에서 비롯되지 않을 수 없다는 점을 의심한 적이 없다. 이 맥락에서 '보이지 않는 것의 지도 제작' 작업은 이미 시작되어 있다. 초기에는 단지 "어떤 은하단 내에는, 그 은하단이 붕괴하지 않거나, 또는 동일한 의미로, 그 은하단이 생성하는 강한 중력 렌즈 효과를 설명하기 위해 일정한 질량 M이 존재해야 한다"고만 말했다. (다중 이미지, 배경에 있는 은하들의 왜곡, 이 왜곡이 궤적 형태로 늘어지는 현상 포함). 이후 천문학자들은 알버트 보스마(나도 소속된 마르세유 천문학 연구소 소속)를 비롯해, 관측된 회전곡선을 설명하기 위해 실험적으로 '어두운 물질의 헬로'를 추가했다. 이는 관측된 속도 값에 부합하는 법칙을 찾는다는 의미의 영어 표현 'fitting the rotation curves'이다. 이제는 많은 사람들이 이러한 보이지 않는 어두운 물질의 헬로 내에서 물질의 분포를 계산하는 데 전념하고 있다. 이를 '제로 차수 이론'이라 부른다. 이 활동은 특별한 전문 지식이 필요하지 않으며, 순전히 기술적인 작업이다. 이 작업에 종사하는 사람들은 단지 어두운 물질의 본질에 대한 단서를 제공하려는 의도가 없으며, 더욱이 그 물질이 은하 내에 존재하게 된 과정에 대한 설명은 전혀 하지 않는다. 이 구성 요소의 본질과 기원을 전혀 알지 못하는 상황에서, '은하역학'을 구성하는 것은 더욱 불가능하다. 이 컨퍼런스에서 나는 미국 출신의 연구자가 '냉각된 어두운 물질(Cold Dark Matter, CDM)'을 기반으로 은하 형성 모델을 설명하는 발표를 들었다. 이러한 모든 모델은 명백히 뉴턴의 법칙에 기반하며, 거대한 컴퓨터가 이를 처리한다. 그러나 이 모델들은 매우 설득력이 부족하다. 초기 조건을 어떻게 설정하든, 형성된 '원시 은하'들은 각운동량이 너무 작다. 따라서 이 '신생 이론가들'(뉴턴 법칙 + 거대한 컴퓨터)이 제기한 문제 중 하나는 "은하의 각운동량은 어디서 오는가?"였다. 이는 '제로 차수 이론'의 수준에 머물러 있는 문제이며, 지도 제작이나 시뮬레이션 시도 모두 마찬가지이다.
1999년 이후, 야닉 멜리에, 포르트 등 천문학자들이 세계 여러 지역의 약 6개 팀과 함께 6년간의 작업을 마무리하여, 대규모 프로젝트의 결과를 발표했다. 만약 우주, 특히 은하단 내에 어두운 물질이 존재한다면, 중력 렌즈 효과를 유발할 것이다. 극단적인 경우, 허블 우주 망원경이 보여준 것처럼, 은하단 뒤에 있는 천체들이 거의 칼레idos코프처럼 분열되어 다중 이미지가 되거나, 중력 렌즈로 인해 궤적 형태로 늘어지는 현상이 발생한다. 이는 어두운 물질의 농도가 낮을 경우, 은하의 이미지에 단순한 왜곡을 유발하며, 실제 타원도에 더해져 추가적인 타원도를 만들어낸다는 것을 의미한다. 멜리에, 포르트 및 그 후속 연구자들은, 중력 렌즈 효과가 없다면 은하의 타원형 이미지의 장축이 무작위로 분포되어야 한다는 가정 아래, 컴퓨터가 이미지의 국부적 비균질성을 탐지하는 이미지 처리 방법을 개발했다. 이 방법을 통해, 이러한 이미지를 생성할 수 있는 가상의 어두운 물질의 3차원 분포를 재구성할 수 있다. 1999년 멜리에와 포르트는, 우주의 일부(몇 도의 정사각형에 해당하는 하늘 영역)에 대한 어두운 물질의 분포를 보여주는 컬러 3D 이미지를 발표하여 큰 화제가 되었다.
이 이미지는 '월드' 신문에 게재되었으며, 기사의 저자인 저널리스트 장-프랑수아 오게로는 "어두운 물질이 존재한다. 왜냐하면 빛의 경로를 휘게 하기 때문이다."라는 제목을 붙였다. 이 기사로 연결. 당시 이 모든 것은 매우 인상적이었으며, '보이지 않는 것의 지도 제작'의 시작을 알리는 것처럼 보였다. 그러나 1년 후, 포르트(파리 천문학연구소 소속, 야닉 멜리에와 동일한 소속)는 2000년 6월호 '하늘과 공간' 잡지에 인터뷰를 통해, 이전까지 묵살된 몇 가지 문제를 언급했다. 이 방법은 두 개의 특히 중요한 어두운 물질 집합체(5×10¹⁴ 태양 질량, 약 1,000개의 은하에 해당하며, 가장 큰 알려진 은하단인 여신의 은하단이나 코마 은하단과 유사한 질량)를 탐지했다. 그러나 놀라운 점은 이 하늘 영역이 매우 공허해 보였다는 것이다.
이러한 결과는 분명히 매우 부담스러웠으며, 초기에는 두 연구자가 이를 묵살하고, 이것이 오류일 가능성이나 특수한 주파수에서 방출하는 새로운 유형의 은하단일 가능성만을 기대했다. 이후 자외선 및 적외선 범위에서의 추가 관측이 이루어졌지만, 특별한 결과는 없었다. 결국 포르트와 멜리에는 이 물체들을 '어두운 은하단(dark clusters)'이라 명명하며, 이들이 '완전히 외계 물질로 구성된 은하단'일 수 있다고 설명했다. 이 물질은 중력 불안정성에 노출되지만, 같은 유형의 물질만을 끌어당기는 특성을 지닌 매우 특이한 물질이다. 포르트는 2000년 인터뷰에서, 이와 같은 위치에 중력 퍼텐셜이 존재하면서도, 일부 은하, 가스 또는 전자기파를 방출하는 물체가 끌려오지 않은 점이 이해되지 않는다고 말했다. 아래는 포르트 인터뷰의 일부 재현이다.
2001년 6월 컨퍼런스에 참석하여 발표("쌍물질 대 어두운 물질")를 진행한 나는, 멜리에의 발표를 듣는 데 매우 관심이 있었다. 그는 먼저 데이터 처리 방법의 타당성에 대해 완전히 확신을 표명했다. 이 자리에서 1999년 '월드' 신문에 전면광고를 받은 3D 지도를 다시 화면에 띄우며, 두 개의 '어두운 은하단'을 확인하고, 이후 추가로 세 번째와 같은 유형의 매우 큰 물체를 탐지했다고 말했다. 나는 이 물체들에 대해 질문했고, 그는 공개적으로 다음과 같은 답변을 했다:
- 개인적으로, 나는 이 어두운 은하단이 존재한다고 믿지 않는다...
더 이상의 정보를 얻을 수 없었으며, 이 답변은 내게 매우 당황스러웠다. 두 가지 가능성 중 하나다. 첫째, 그 방법은 분석에 놓치고 있던 오류를 포함하고 있으며, 이러한 극단적인 물체를 생성하는 아티팩트를 유발할 수 있다. 둘째, 그 방법이 신뢰할 수 있으며, 이 세 개의 물체의 존재는 매우 혼란스러운 질문을 제기하며, 이에 대해 이런 식의 회피는 불가능하다. 또한, X선 관측을 위한 위성 망원경이 궤도에 올라간 이후, 은하단이 매우 중요한 X선 방출원이라는 것이 밝혀졌다. 이 방출 에너지는 약 10keV 수준이며, 이는 수소 가스가 약 1억 도의 고온임을 의미하며, 이는 열운동 속도가 1,400km/s에 해당한다.
멜리에의 말에 따르면, 그의 어두운 은하단은 X선도 방출하지 않는다.
이러한 행동을 설명하는 것은 단순히 컨퍼런스의 부제를 다시 읽어보면 충분하다. 이 부제는 어두운 물질 외에 다른 해석을 허용하지 않는다. 이와 같은 행동은 현대 천문학과 천체물리학 세계에서 특별한 예외가 아니다. 예를 들어, 유명한 허블 법칙은 원천의 적색편이가 거리와 비례한다는 것이며, 이는 오랜 시간 동안 신조처럼 여겨져 왔다. 모든 천체는 이 법칙을 따라야 하며, 예외적인 경우는 '제외'된다. 할턴 아르프는 '비정상적인 적색편이'를 수많이 식별했다고 주장했다. 명백히 그는 이러한 '이상한' 사진이 관측 오류일 뿐이라고 인정하려 하지 않았기에, 결국 동료들에 의해 관측 금지 조치를 받았고, 뉴욕으로 강제 이전되었다. 만약 이 주제에 대한 컨퍼런스가 열린다면, 그 주제는 '허블 상수'를 더 정밀하게 정의하기 위한 '조사(surveys)'에 국한될 것이다. 적색편이의 비균질성, 특정 천체 집단에서 이 유명한 법칙의 유의미한 변화, 또는 특정 방향에서의 거의 주기적인 변동을 다루는 모든 연구는 '위험한 발상'이거나, 단순히 '주제에서 벗어난 연구'로 간주될 것이다.
이 컨퍼런스에 발표를 제출하기로 결정했을 때, 나와 마르세유 관측소에서 동일한 위치에 있는 연구원인 엘레바티나 아타나소울라 씨는 내 발표가 '주제에서 벗어났다'고 생각하며 회의적인 반응을 보였다. 실제로 이는 한 가지 관점일 수 있지만, 나는 이 관점을 매우 비과학적으로 생각한다(야닉 멜리에가 자신의 연구에 대해 말한 것과 마찬가지이다!). 따라서 나는 이 컨퍼런스에서 발표를 허락받은 연구가 거의 관심을 받지 못하거나 비판받지 않은 것을 놀라지 않는다. 2001년 6월 26일, 나는 발표의 '긴 버전'(43쪽) 40부와 '요약 버전'(16쪽) 30부를 준비하여, 컨퍼런스가 열리는 강의실로 가서, 첫 세션 전에 70부의 문서를 테이블 위에 놓았다. 표지에는 붉은 연필로 '내게 가져가, 읽어봐'라고 적었다. 이 모든 문서들은 참가자들의 가방 속으로 사라졌다. 바닥이나 쓰레기통에 남아 있는 것을 전혀 찾을 수 없었다. 이 새로운 시도에도 불구하고, 200명의 참가자 중 누구도 나에게 연락하지 않았다. 이후 며칠 동안, 세션 중 내 발표는 완전히 무시당했다. 이 상황을 말하자면, 한 발표자가 일반적인 중력 렌즈 문제에 대한 조사를 마치고, 그의 동료들(멜리에 포함)이 최신 결과를 발표하기 전에, 다음과 같은 대화가 있었다.
- 최근 들어, 우리 우주에 음의 에너지를 지닌 구성 요소가 존재할 가능성이 논의되고 있다. 이 물질은 중력적으로 반발하는 성질을 지닌다. 이러한 입자들이 농도를 형성할 경우, 중력 렌즈 효과는 어떻게 될까? 이 경우 '음의 렌즈' 효과가 생길 것이다. 나는 1995년 [천체물리학 및 우주 과학]에 실린 논문에서 이와 같은 현상을 설명했다.
- 그 경우, 양의 에너지를 지닌 물질의 균일한 분포에 빈 공간이 생기는 것이다.
- 아니요, 제가 말하는 것은 그게 아닙니다. 음의 에너지를 지닌 물체가 생성하는 효과를 고려하는 것입니다.
- 그러면 양의 에너지 물질 속의 빈 공간이겠군요...
대화는 끝났으며, 뒤이어 무관심한 회의실이 펼쳐졌다. 나는 마침내 참가자들에게 말했다.
- 지금은 2001년 6월입니다. 중력 렌즈 효과 분석과 그에 따른 지도 제작은 이해할 수 없는 물체, 즉 '어두운 은하단'에 도달하고 있습니다. 은하의 역학은 은하의 대부분 질량이 관측되지 않는 어두운 물질의 헬로 형태로 존재해야 한다고 강요합니다. 누구도 이 물질을 관측하지 못하며, 그 구성이나 기원도 밝히지 못하고 있습니다. 지난 10년간 어두운 물질을 식별하려는 모든 시도는 실패로 끝났습니다. 은하단의 경우도 마찬가지로, 관측되지 않은 물질과 관측 가능한 물질의 비율이 100:1에 이릅니다. 천문학자들은 각 은하 중심에 수백만 태양 질량의 블랙홀이 존재할 것이라고 예측하지만, 누구도 이를 관측하지 못하고 있습니다. 이 컨퍼런스 동안 우리는 동료들이 계속 발전하는 이미지를 보여주며, 우주의 대규모 구조(VLS)를 설명했습니다. 분명히 '비누방울이 서로 붙어 있는 이미지'는 해마다 더 확실히 확인되고 있습니다. 그러나 우리는 알고 있듯이, 가장 정교한 CDM(냉각된 어두운 물질) 기반 수치 시뮬레이션은 필라멘트 구조를 만들어내며, 이는 관측 결과와 전혀 맞지 않는 우주를 만들어냅니다. 아래는 컨퍼런스에서 발표된 최신 이미지입니다.
그러나 여러분은 이미 8년 전부터 우리가 제작한 이미지를 보셨습니다:
그 이미지는 관측 결과와 잘 맞아떨어집니다:
왜 이 두 가지 사고 방식 사이에 대화가 전혀 불가능한 것일까요?
전혀 조용한 침묵.
이 시점(2001년 6월)에 블ัว에서 이론 물리학자들이 새로운 우주 구성 요소인 '암흑 에너지'의 본질에 대해 논의하는 컨퍼런스가 열렸다. 일부에 따르면, 이 신비로운 물질