국립과학연구센터(Jean-Pierre Petit 연구원에 대한 의견)

이 문서는 2005년 3월 8일, Cnrs(프랑스과학연구센터)의 뉴스레터에 게재된 내용이다.

빅뱅, 어두운 에너지

거대한 미지수

1998년, 핵물리 및 고에너지 물리학 연구소의 피에르 아시에르는 이렇게 말한다. "우주의 팽창이 미지의 어두운 에너지의 영향을 받아 가속화되고 있다는 충격적인 발견이 있었다." 이 어두운 에너지는 우주의 약 70%를 차지한다. 그러나 그 구성은 전혀 알려져 있지 않다. 이전까지는 빅뱅 이론과 아인슈타인의 일반 상대성 이론의 틀 안에서, 우주는 초기의 '폭발'에 의해 일정하게 팽창하고 있다는 것이 알려져 있었다. 따라서 연구자들의 작업은 우주의 구성 요소를 조사하여 그 질량을 '측정'하고, 중력의 영향으로 인해 팽창이 멈출 수 있는지 여부를 판단하는 것이었다. 그러나 7년 전, 이러한 생각이 뒤바뀌었다. 두 개의 독립된 연구팀, 즉 '초신성 우주론 프로젝트'와 'High z 초신성 탐색 팀'이 등장했다. 이들은 약 10억에서 60억 광년 떨어진 먼 별들의 폭발 약 50건을 관측했다. 이들은 타입 Ia 초신성, 즉 자연적인 핵 폭발로 간주되는 현상이었다. 이 희귀한 현상들은 '기준 촛불'이라 불리는데, 그 절대 밝기를 알고 있으며, 두 가지 다른 방법으로 거리를 측정할 수 있기 때문이다. 그러나 1998년 관측 결과, 가장 먼 타입 Ia 초신성의 빛은 물질만으로 우주가 팽창하는 경우 예상되는 빛보다 더 약했다. 이로부터 결론이 도출된다. 빛의 약함은 별이 멀리 떨어져 있기 때문이며, 그 은하의 거리는 우리가 생각하는 것보다 훨씬 멀다. 따라서 우주의 팽창 속도는 예상보다 빠르게 일어나고 있다. 이러한 현상을 설명하기 위해, 우주의 팽창을 촉진하는 미지의 어두운 에너지를 도입해야 한다. 이 발견이 빅뱅 이론을 흔들었을까? "아니요, 전혀 그렇지 않습니다. 오히려 관심을 끌고 흥미를 더해 줍니다." 피에르 아시에르는 안심시킨다.

1998년 이후, 팽창의 가속화를 뒷받침하는 두 번의 확인이 이루어졌다. 그리고 "최근의 결과들은 이 팽창 모드가 약 4~50억 년 전부터 지속되고 있으며, 이는 우주의 역사 중 약 35%에 해당한다"고 물리학자인 아시에르는 설명한다. 그는 프랑스 유일의 '초신성 우주론 프로젝트' 미국 탐사에 참여한 레이날드 페인의 연구팀에 속해 있다. 현재 프랑스 연구자들은 캐나다-프랑스-하와이 천문대와 칠레에 있는 유럽남부 천문대의 대형 망원경을 포함한 여러 망원경을 사용하고 있다. 먼 초신성 탐사가 이 관측 장비들의 주요 과제가 되었다. 목표는 무엇인가? "수백 개를 찾아내는 것!" 피에르 아시에르는 열정을 불태운다. 과거의 우주의 팽창 가속도가 어떻게 변화했는지를 추정하기 위해서는 이 작업이 필수적이다. 일부 물리학자들은 이러한 반발력이 '진공 에너지'라는 이름의 신호라고 본다.

이 에너지는 미세한 척도에서 우주의 놀라운 양자적 활동을 반영한다. 과학자들은 진공(모든 것이 제거된 후 남는 것)을 이상한 매체로 본다. 절대적인 공허는 존재하지 않는다. 항상 가상의 입자와 반입자가 나타났다 사라진다. 이들은 즉시 생성되고 붕괴된다. 이들에 연결된 불가분의 에너지를 '기본 수준' 또는 더 단순히 '진공 에너지'라고 부른다. 1948년 네덜란드의 헨드릭 카시미어가 제안한 실험에 따르면, 진공 에너지는 압력처럼 행동하며, 반발력이 된다. 이로 인해 어두운 에너지와 동일시하는 아이디어가 생겼다. 마치 우주를 '터뜨리는' 것처럼 보인다.

다른 이들은 어두운 에너지가 시간에 따라 변화한다면, 이는 네 가지 기본 힘 외에 존재하는 '오랜 힘' 또는 '다섯 번째 본질'인 '쿼인테사'라는 다양한 이국적인 물체들의 집합일 수 있다고 본다(자세한 내용은 28쪽 참조). 이 모든 것이 우주의 운명을 걸고 있다는 점을 이해했을 것이다. 이제 모호함을 해소하는 것이 시급하다. 현재 진행 중인 프로젝트를 통해 프랑스 연구팀은 5년 안에 600개의 새로운 초신성을 탐지할 계획이다. 한편, 허블 우주 망원경은 2003년에 16개의 초신성을 발견했다. 어두운 에너지 탐색 경쟁에서 누가 승리할지, 지켜보자!

프레드릭 구에르당

연락처

피에르 아시에르, astier@in2p3.fr

어두운 물질: 보이지 않는 바다

이것은 매우 고집스러운 수수께끼다. 보통 물질은 우주의 5% 미만을 차지하며, 95% 이상의 부분은 여전히 사라진 상태다. 어두운 에너지가 우주의 70%를 차지한다면, 나머지 부분은 무엇으로 이루어져 있을까? 이 모든 것은 1933년에 시작되었다. 미국의 천문학자 프리츠 짐키는 베르니케의 머리카락 별자리에 위치한 코마 은하단을 관측했다. 이 은하단은 우리 은하와 유사한 수천 개의 은하로 이루어져 있으며, 거리는 약 1억 5천만 광년 떨어져 있다. 그는 은하단 내에서 은하들의 이동 속도를 분석한 결과, 보이는 것보다 100배 더 많은 질량이 존재해야 한다는 결론을 내렸다. 마치 빙산의 꼭대기 부분일 뿐이다. 이와 동시에, 밝은 별들, 은하를 채우는 가스와 먼지 덩어리들은 단지 평범한 부산물일 뿐이며, 이들은 거대하고 보이지 않는 바다 위를 떠다니는 것처럼 보인다. 마찬가지로 1960~~1970년대, 은하 중심부의 별들의 운동을 연구한 결과, 보이는 물질보다 5~~10배 더 많은 보이지 않는 물질이 은하에 존재한다는 것이 입증되었다. 이를 설명하기 위해, 우리가 알고 있는 물질과는 다른 성질을 가진 '어두운 물질' 또는 '암흑 물질'을 도입해야 했다. 최근 10년간, 과학자들은 데이터의 질과 양이 급격히 향상되고 있음을 확인하고 있다.

한편, 은하의 회전 관측은 어두운 물질의 허리케인 형태가 별보다 10배 더 무거운 것을 확인했다. 다른 한편, 은하단 내에는 수백만 도의 고온 가스가 존재한다. 챌린저 위성(NASA)과 XMM(유럽) 위성의 X선 측정 결과, 보이는 물질보다 어두운 물질이 100배 더 많다는 것이 밝혀졌다. 마지막으로, 최근에 검증된 또 다른 도구가 있다. 중력 렌즈, 즉 일반 상대성 이론이 예측한 자연적인 미라지다. 이는 우주의 기하학을 탐사하는 강력한 수단이다. 미크로렌즈 효과를 관측함으로써, 은하의 어두운 물질이 고전적인 원자(핵: 양성자와 중성자, 전자)로 구성되어 있지 않다는 것이 밝혀졌다. 이러한 신비로운 물체들은 'MACHO'(대량 허리케인 소형 물체)라 불리며, 연구자들은 이들이 은하 전체 물질의 10% 미만을 차지할 뿐이라고 추정했다. 그렇다면, 원자핵이나 알려진 입자와도 맞지 않는 우주의 나머지 부분은 무엇으로 이루어져 있을까? 누구도 모른다. 그러나 몇 가지 아이디어는 제시되고 있다. 물리학자들은 이미 후보를 하나 가지고 있다. 바로 '중성자'로, 초대칭 이론(29쪽 참조)에서 나온 것으로, 입자 표준 모델의 확장 가능성이다. 이는 대형 가속기에서 그 흔적을 찾고 있다. 중성자는 보통 물질과의 상호작용이 매우 약하다. 현재까지의 최신 데이터에 따르면, 우리 주변의 우주는 다음과 같이 구성되어 있다.

70%의 어두운 에너지: 성질과 구성이 알려지지 않음. 팽창을 가속시키지만, 팽창과 함께 희석되지 않음
25%의 이국적인 어두운 물질(초대칭의 중성자?): 팽창과 함께 희석됨
4.5%의 보통 물질: 대부분 어두운 상태이며 빛을 내지 않음. 별과 방사선 또는 빛 흡수로 보이는 물질은 전체의 0.5%에 불과함. 탄소, 질소, 산소, 규소, 철과 같은 무거운 화학 원소는 0.03%를 차지함. 이들은 지구와 생명체의 구성 요소임
0.3% 미만의 뜨거운 어두운 물질: 중성자로 구성되어 있으며, 풍부하지만 질량은 작음

F.G.

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