우주론, 회색 물질, 우주 구조, 천체물리학
나는 마르세유 천체물리학 회의에서 지루함을 느꼈다.
(2001년 6월)
회색 물질 탐색, 절망적으로.
과학자들은 XMM 및 찬드라 우주 망원경을 이용해 X선 범위에서 관측한 결과에 매우 만족하고 있다. 아래는 X선 망원경 XMM의 예술가의 그림이다:
여기서 나는 2001년 1월에 발표된 오래된 기사에 대해 언급하고자 한다. 이 기사는 '천문과 우주' 잡지에 아자르 칼라트바리의 글로 실렸다. 몇 가지 발췌문을 소개한다:
25쪽: "은하단 사이에는 물질이 모여 길쭉한 구조, 즉 필라멘트를 형성한다. 이 모든 것이 각각의 척도에서 중력의 힘으로 서로 연결되어 있다. 오랫동안 우주론자들은 물질의 조직이 어떻게 필라멘트로 발전했는지, 그리고 현재 관측되는 이러한 구조가 과거에도 존재했는지에 대해 고민해왔다."
나도 이 질문을 한다. 왜냐하면 이 구조는 관측의 차원에서, 어쨌든 칼라트바리 씨의 상상 속에서만 존재하기 때문이다. 그 다음 줄에서 그는 이렇게 쓴다:
"우주의 초기에 대한 관측이 부족한 상황에서 우주론자들은 회색 물질과 컴퓨터 프로세서를 이용해 수치 시뮬레이션을 수행했다. 결과는, 오래전에 물질이 아주 작은 덩어리들(천문학 용어로는 밀도의 변동이 있었다고 말함)로 구성되어 있었다면, 그 초기 변동은 중력의 영향으로 시간이 지남에 따라 더욱 커졌을 것이며, 그 결과가 현재의 모습이 되었다."
이 사람은 어떤 그림을 말하는 것일까? 이 기사는 그에 대해 침묵하고 있다. 나는 2001년 6월 마르세유에서 열린 국제 천체물리학 및 천문학 회의에 참석했다. 주제는 '물질은 어디에 있는가?'(Where is the matter?)였다. 이런 회의에서는 특정 주제에 대해 '서베이'나 '문제 검토'를 수행할 사람들을 지정한다. 나는 기억하기로, 이름을 잊어버린 이탈리아인이 '매우 큰 구조'(VLS, Very Large Structure) — 즉 우주의 대규모 구조에 대해 보고를 맡았다. 사실, 요즘 사람들은 점점 더 강력한 망원경을 갖추고 있다. 지름 8미터는 거의 표준이 되었다. 적응 광학, 우주 천문학, 그리고 모든 첨단 기술을 더하면 관측은 점점 더 정밀해지고 있다. 그래서 그 이탈리아인은 수억 광년에 걸쳐 우주의 단면을 보여주었다. 내 기억은 아직 흔들리지 않았다. 수많은 이미지를 보며, 1970년대 초에 발견된 우주의 대규모 구조적 공극이 확실히 확인되는 듯했다. 어느 방향을 보든, 어떤 각도에서든, 우주를 어떻게 자르든, 항상 같은 '접합된 거품' 구조를 발견할 수 있었다. 이후 회장은 '거미줄 모양 시뮬레이션' 결과를 발표했다.
나는 솔직히 말해서, 어리둥절했다. 한 남자가 마이크를 들고 "누군가 질문이 없나요?"라고 묻자, 나는 손을 들었다. 마이크를 건네받고, 200여 명의 다양한 국가 출신의 참석자 앞에서, 컴퓨터 시뮬레이션과 방금 전 보여준 멋진 공극 구조의 우주 이미지 사이에 명백한 관련성이 없어 보이는 것이 문제가 되지 않는지 물어보았다.
그 순간, 20~30초 동안 완전한 침묵이 흘렀다. 무거운, 칼로 자를 수 있을 정도의 침묵이었다. 나는 주변을 둘러보며 귀를 기울였다. 아무 소리도 없었다. 이 30초의 완전한 침묵 후, 나는 다시 자리에 앉을 수밖에 없었다. 내가 '주제에서 벗어난' 질문을 한 걸까? 아마도 그렇다. '이론 결과가 관측과 일치해야 한다'는 시대는 아마도 이미 끝난 것 같다.
이 모든 것은 갈릴레오의 고난을 떠올리게 한다. 그가 유명한 망원경을 손에 쥐었을 때, 일부 별들이 실제로 이중 별이라는 것을 발견했다. 당시 사람들은 회의적이었고, 그는 그들에게 자신의 도구를 통해 보여주기를 권유했다. 그들이 그걸 보았을까? 물론 아니다. 그들은 그 별들이 그의 도구(악마의 화로에서 나온 도구라며)에서 이중으로 보이기 때문에 실제로 이중일 수 있다고 생각하지 않았다. 지금 천문학도 마찬가지인 듯하다. 30년 넘게, 우주의 공극 구조를 설명하지 못하고 있다. 제르도비치의 '크레페 이론'도 오래 가지 못했다. 사실, 물질의 '판'을 만들려고 할 때마다, 열화로 인해 구조가 빠르게 붕괴되었다. 잠깐, 내가 아직 말하지 않았지만, 우리가 시뮬레이션하는 사람들은 이 필라멘트 구조를 어떻게 만들었는지 알려줄까? 냉각된 어두운 물질(CDM, Cold Dark Matter)로 만들었다. 사실, 지금까지 나는 이 이야기의 전체를 말하지 않았다. 왜 이 부분을 생략했는지 모르겠다. 정확히 말하자면, 이탈리아인이 발표를 시작하기 직전, 나는 두 번째 줄에 앉아 투사기 옆에 있었다. 이론과 관측 사이의 명백한 격차에 대해 질문하고 20초 정도의 침묵을 얻은 후, 나는 이렇게 덧붙였다:
"1993년, 우리는 이 공극 구조를 이중 모델에서 시뮬레이션을 통해 얻었다."
그리고 아래 그림을 투사기에 올렸다.
모든 사람이 그림을 볼 수 있었고, 이전에 보여준 관측 이미지와 매우 유사하다는 것을 알 수 있었다. 그러나 아무도 말이 없었고, 나는 투사기 옆에 서서 어리둥절한 모습이 되었다. 모두가 분명히 내가 계획된 프로그램에 없는 그림을 올렸다는 것을 기다리고 있었다. 결국 나는 그림을 내리고 자리에 앉았다. 완전한 실패였다.
이 그림은 1995년 '천체물리학 및 우주 과학'에 게재되었으며, 이 회의 발표 자료에도 포함되었다(나는 단지 '포스터'를 받았고, 아무도 보지 않았다). 또한 나의 책 '우주 반쪽을 잃어버렸다'(알뱅 미셸, 1997년; 하체트, 2000년, 종이책)에도 재인용되었다.
이 회의에 참석하기 전(17년 만에 처음 참석한 회의였는데, 1983년 이후 나는 CNRS의 연구비나 임금도 전혀 받지 않았기 때문이다), 나는 대화가 있을지 궁금했다. 내 아내는 "내가 발표한 논문을 70부 복사해서 화요일 세션 시작 전에 테이블에 놓아두면 어떨까?"라고 말했다. 그래서 나는 내 논문의 긴 버전(64페이지)을 70부 복사해서 화요일 오전 9시에 첫 세션 전에 모든 테이블 위에 놓았다. 그러나 모든 복사본이 사라졌다. 회의장의 쓰레기통이나 테이블 아래에도 아무것도 없었다. 이 문서 끝에는 내 연락처와 이메일이 있었다.
6개월 후: 아무 반응 없음. 완전한 침묵. 작은 질문 하나, 호기심의 그림자 하나도 없었다.
이것은 SF 소설 같았다. 한 과학자가 갑자기 인식하지 못한 채 투명해지고, 평행 우주로 넘어간다. 그러나 이 회의에서는 나는 매우 잘 행동했고, 예의 바르며 조용했다. 잘 차려입고, 조용히 있었다. 단지 4~5개의 질문을 했는데, 모두 완전한 실패였다. 대규모 구조에 관한 질문도 그중 하나였다. 그러나 나는 다시 1993년 '천문과 우주'의 오래된 호를 뒤져보았고, 칼라트바리의 논문을 다시 읽었다. 이 글을 읽으며 나는 마치 꿈을 꾸는 것 같았다. 천체물리학은 수년 전부터 분명히 꿈같은 방향으로 흘러갔다. 같은 회의에서 메일리에르를 만났는데, 포르트와 함께 중력 렌즈 효과를 분석해 '보이지 않는 우주'의 지도를 처음으로 그렸다. 이건 생각보다 복잡하지 않다. 붉은(또는 검은, 우주이기 때문에) 배경 위에 흰 점이 있는 플라스틱 테이블을 상상해보자. 이 테이블 위에 물방울을 떨어뜨리면, 흰 점들의 이미지가 왜곡된다. 이 테이블을 수직으로 찍은 사진을 보여준다면, 물방울이 투명하므로 직접 보이지 않지만, 흰 점들의 왜곡을 통해 물방울의 존재와 분포를 재구성할 수 있다. 요컨대, 포르트와 메일리에르가 하는 일이 바로 그것이다. 그들은 약한 중력 렌즈 효과를 기반으로 '보이지 않는 것', '관측되지 않은 것'을 지도화했다. 1999년 세계는 이 결과를 아름다운 색상으로 재현했다.
그러나 이미 그 시절부터 몇 가지 '그림자'가 있었다(자세한 내용은 2001년 6월 회의 발표 참고). '그림자'라는 표현이 매우 적절하다. 실제로 이 지도화 방법은 특정 지역에 수천 개의 은하에 해당하는 질량을 가진 물질 집합체를 발견하게 했는데, 이는 알려진 최대 은하단(코마, 베르가)의 질량과 맞먹는다. 그러나 그 지역에는 가시광선, 적외선, 자외선, 심지어 X선 범위에서도 아무것도 없었다. 메일리에르는 2001년 6월 회의에서 이 사실을 확인했다. 그는 이전 몇 달 동안 또 다른 '암흑 은하단'을 발견했다고 말했다. 그가 자신의 지도화 방법의 신뢰성을 강조한 직후, 나는 그가 이 '세 개의 어두운 은하단'이 어떻게 설명되는지 물었다. 그의 대답은 무엇이었을까?
"이 어두운 은하단들? 내 생각엔, 개인적으로 나는 그것들을 믿지 않는다."
더 이상 물어볼 수 없었다. 그는 자신의 연구를 의심하는 것이었다. 그러나 청중은 아무런 반응 없이 침묵했다. 그때부터 나는 진짜 지루함을 느꼈다. 이 회의 동안 나는 솔직히 매우 지루했다. 어떤 논의도 없고, 이성마저 사라진 분위기에 빠지기 힘들었다. 역할은 이미 정해져 있다. '주요 인물'들이 자신의 결과를 발표한다. 묻지 말아야 할 질문들이 있다. 서로의 침묵과 공감이 느껴진다. 모든 것이 이미 결정되어 있고, 탐구를 거부하는 자들이 없는 희극 속에서, 그들은 자리가 없다.
이 5일 동안 나는 끊임없는 실패만을 경험했다. 또 다른 예를 들자면, '천문과 우주'의 오래된 호에서 회의의 주제 중 하나인 X선 범위에서의 측정 결과를 다시 찾았다. 은하단이 강력한 X선원이라는 것이 확인되었다. 에너지는 815keV, 온도는 약 1억1억 8천만 도이다. 따라서 은하단 내부에는 이 정도의 고온을 가진 가스가 존재한다는 것이다. 모두가 이 것이 우주의 미스터리 중 하나라고 고개를 끄덕였다. 나는 다시 질문했다:
"이제 계산해보자."
수소 원자에 대해 계산하면 평균 속도가 1500km/s가 된다. 결국 이건 정상적이며 타당해 보이지 않나요? 이 속도는 은하의 탈출 속도와 비슷하다. 만약 원자들이 더 느린 속도로 움직였다면, 은하가 그들을 포획했을 것이다. 25년 전, 은하 사이에 고온의 가스가 존재할 수 있다는 아이디어가 제기되었을 때, 나는 밀도 추정을 바탕으로 수소 원자의 평균 자유 경로 시간을 계산해봤다. 그 결과, 이 매체는 매우 충돌성이 낮았고, 그 때문에 고온 상태가 유지된다는 결론이 나왔다. 그렇지 않으면 원자 간 충돌로 인해 가스는 복사 냉각되어 은하에 흡수되었을 것이다. 이 시점에서 중요한 질문은, 왜 이런 고온의 가스가 존재하는가이다. 어떤 현상이 이 가스를 이 정도로 데웠을까? 나는 이 고온 가스가 초기 별들과 동시에 만들어졌을 가능성을 제안한다. 우리는 별의 탄생과 관련된 현상에 대해 거의 알지 못한다. 그 이유는 이 탄생이 가스 덩어리 안에서 일어나며, 그 현상이 우리의 시선을 가로막기 때문이다. 다만, T-타우리형 별이 매우 격렬한 탄생을 겪을 수 있다는 것은 알고 있다. 모두가 궁금해한다: "왜 이런 격렬함이 있는가?" 나는 이렇게 대답한다. 태양처럼 표면 온도가 낮은 별들도, 그 주변에 수백만 도에 달하는 훨씬 더 뜨거운 코로나를 만들 수 있다.
그 후 나는 태양 코로나의 MHD 가열 과정을 몇 문장으로 요약해 보였다. 그리고 이렇게 덧붙였다:
"나는 초기 별의 탄생이 매우 격렬한 MHD 가열 현상을 동반했을 가능성을 믿는다. 그 결과, 이 가스의 원자들은 은하의 탈출 속도를 초과하는 온도를 얻었고, 다시 돌아올 수 없을 정도로 은하를 떠났을 것이다."
이건 단순한 기체 운동론 계산에 불과하다. 그러나 내가 마르스어로 말했다고 해도, 이보다 더 큰 실패는 없었을 것이다. 상황을 상상해보자. 한 60대 남자가 말을 시작한다. 회의장은 완전히 침묵한다. 사람들은 단지 그가 자리에 앉기를 조용히 기다릴 뿐이다. 그러나 이 아이디어 자체는 흥미로운 것이다. 은하가 형성될 때, 이 과정이 수많은 별의 탄생과 강력한 에너지 방출을 동반할 수 있다고 상상할 수 있다. 이 시스템은 마치 '오븐'과 같다. 대규모 은하가 더 많은 가스를 가열할 가능성이 높으며, 이로 인해 잔여 가스가 탈출할 정도의 열 운동 속도를 얻게 된다. 이는 질량이 크고 가스가 적은 타원 은하(ellipticals)와 관련이 있다. 반면, 더 작은 은하는 가스를 유지할 수 있었고, 수소 원자들에게 탈출 속도를 넘는 속도를 주지는 못했다. 또한 타원 은하는 충돌과 융합을 겪었을 가능성이 있으며, 그 과정에서 잔여 가스가 가열되어 탈출했을 수도 있다. 이 아이디어는 타당하며, 논의할 여지가 있다. 그래서 나는 왜 은하 사이에 수억 도의 고온 수소 가스가 존재한다는 것이 완전한 미스터리로 여겨지는지 이해할 수 없다. 그러나 아마도 지금은 미스터리가 유행하는 시대일지도 모른다.
이 회의에서 한 젊은 미국인 여성이 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 은하의 탄생을 모사한 결과를 발표했다. 그녀는 냉각된 어두운 물질에서 시작해, 이 물질이 우주 물질의 90~95%를 차지한다는 점을 알고 있었다. 그러나 그녀는 실망했다. 그녀의 은하들은 회전하지 않았다.
"이제 우리는 새로운 문제를 안게 되었다!" 프랑스의 '신우주론자들'을 이끄는 알랭 블랑샤르가 강조하며 외쳤다.
나는 그 미국 여성에게, 팽창을 고려했는지 물었다. 그녀는 매우 당황해서 "아니요, 고려하지 않았습니다."라고 대답했다. 게다가, 그녀의 팀에서 우주론을 담당하는 사람은 그 자리에 없었다. 어쨌든, 팽창은 우주론의 핵심이다.
물론 그렇지만, 은하가 형성되었을 당시 우주는 여전히 매우 뭉툭했다. 예를 들어, 1억 년과 150억 년을 비교하고, 거리가 t²/³에 비례한다는 법칙을 고려하면, 이 초기 은하단들은 현재보다 약 130배 더 가까이 있었다(즉, 우리 은하와 안드로메다가 '면대면'이었다). 즉, 이 초기 은하단들은 거의 접촉 상태였을 것이다. 따라서 이 초기 은하단들은 충돌성이 높은 매체를 형성했을 것이며, 팽창으로 인해 '충돌 빈도'가 감소했을 것이다. 오늘날 은하단 내에서 은하의 평균 자유 경로 시간은 우주의 나이와 비슷하다. 이 현상은 이제 드물지만, 여전히 두 은하의 상호작용 시스템을 관측할 수 있다. 나는 초기 은하단들이 충돌성이 있는 기체처럼 행동했고, 따라서 열역학적 평형 상태로 향했을 것이라고 생각한다. 즉, 다양한 에너지(이동, 회전)가 서로 균형을 이룬다. 그러나 팽창으로 인해 이 노력이 무너졌고, 매체는 여전히 '평형 상태가 아님'을 유지했다. 이 주제로 논의를 시작했을 때, 또다시 실패하고 침묵이 흘렀다.
최근 '천문과 우주'에서 "은하단 내에서 매우 낮은 질량의 별이 적다는 것이 미스터리"라고 읽었다. 그러나 이는 기체 운동론과 열역학의 단순한 원리에 해당한다고 생각된다. 서로 다른 질량을 가진 두 종류의 기체가 혼합된 경우, 각각의 평균 운동 에너지는 서로 균형을 이룬다. 예를 들어, 온도 T(이온화 상태를 유지할 정도로 충분히 높은)의 수소 플라스마에서 전자는 평균적으로 양성자보다 약 43배 더 빠르다. 이 수치는 질량 비의 제곱근에 해당한다.
다른 관점에서 보면, '중력 스윙바이' 효과를 언급할 수 있다. 질량이 큰 별들이 질량