마르세이유의 천체물리학 회의에서 나는 지루함을 느꼈다.
(2001년 6월)
어두운 물질을 찾기 위해 애쓰고 있다.
XMM 및 찬드라 망원경을 이용해 엑스선 범위에서 관측된 결과에 대해 과학자들은 매우 만족하고 있다. 아래는 XMM 망원경의 예술가의 그림이다:
이 글은 2001년 1월에 출간된, 아자르 칼라트바리가 쓴 '지하와 하늘' 잡지의 오래된 기사에 대한 언급이다. 몇 가지 발췌문을 소개한다:
25쪽:
"은하단 사이에는 물질이 긴 줄기 형태의 구조, 즉 필라멘트를 형성한다. 이 모든 것이 각각의 척도에서 중력의 힘으로 서로 연결되어 있다. 오랫동안 우주론자들은 물질의 조직이 어떻게 필라멘트로 발전했는지, 그리고 현재 우리가 관측하는 이러한 구조가 과거에도 존재했는지에 대해 고민해왔다."
나도 이에 대해 의문을 품는다. 왜냐하면 이 구조는 관측의 차원에서, 어쩌면 칼라트바리 씨의 상상 속에서만 존재하기 때문이다. 그 다음 문장에서 그는 이렇게 쓴다:
"우주의 초기 상태에 대한 관측이 부족한 상황에서, 우주론자들은 자신의 어두운 물질과 프로세서를 이용해 수치 시뮬레이션을 수행했다. 그 결과, 오랜 시간 동안 물질이 미세한 덩어리로 존재했다면(천문학 용어로 말하면, 우주가 밀도 변동을 겪었다면), 이러한 초기 변동은 중력의 영향 아래 시간이 지남에 따라 더욱 커질 수밖에 없었다. 그 결과가 바로 현재의 모습이다."
그가 말하는 '이 그림'이 도대체 무엇을 의미하는 것일까? 이 기사에서는 그에 대해 아무런 설명이 없다. 나는 2001년 6월, 마르세이유에서 열린 국제 천체물리학 및 천문학 회의에 참석했다. 주제는 "어디에 물질이 있는가?"(Where is the matter?)였다. 이런 회의에서는 다양한 주제에 대해 '서베이'나 '문제 검토'를 맡길 수 있다. 기억에 남는 것은, 이름을 잊어버린 이탈리아 과학자가 '매우 큰 구조'(VLS, Very Large Structure) — 즉 우주의 대규모 구조에 대해 보고했다는 것이다. 사실 요즘은 점점 더 강력한 망원경을 사용하고 있다. 8미터 지름은 거의 표준 수준이 되었다. 적응 광학, 우주 천문학, 그리고 모든 기술적 혁신을 더하면 관측은 점점 더 정밀해지고 있다. 이탈리아인은 우리가 관측한 우주의 단면을 보여주었는데, 그 거리는 수억 광년에 이르렀다. 나는 기억이 아직 흐트러지지 않았다. 수많은 이미지를 통해, 1970년대 초반에 발견된 우주의 대규모 구조가 '공기 주머니'처럼 연결된 구조로 확실히 확인되고 있음을 알 수 있었다. 어느 방향에서든, 어떤 각도에서든, 우주를 어떻게 자르든, 항상 같은 '접합된 거품' 구조가 나타났다. 그 후 회장은 '거미줄 모양의 시뮬레이션' 결과를 발표했다.
나는 솔직히 말해서, 어리둥절했다. 누군가 마이크를 들고 "누구라도 발표자에게 질문이 없으신가요?"라고 묻자, 나는 손을 들었다. 마이크를 건네받고, 수백 명의 각국 참석자 앞에서, 컴퓨터 시뮬레이션과 방금 보여준 아름다운 '공기 주머니' 구조 이미지가 관측과 명백한 관련이 없어 보인다는 점이 문제되지 않는지 물었다.
그 순간 20~30초 동안 완전한 침묵이 흘렀다. 무거운, 칼로 가르는 듯한 침묵이었다. 나는 주변을 둘러보며 귀를 기울였다. 아무 소리도 없었다. 이 30초의 완전한 침묵 후, 나는 다시 자리를 박차고 앉을 수밖에 없었다. 내가 '주제에서 벗어났는가'? 아마도 그렇다. '이론 결과가 관측과 일치해야 한다'는 시대는 이미 지나간 것 같다.
이 모든 것은 갈릴레오의 고난을 떠올리게 한다. 그가 유명한 망원경을 손에 쥐었을 때, 일부 별이 실제로 이중 별이라는 것을 발견했다. 당시 사람들은 의심스러워했고, 그는 그들에게 자신의 도구를 들여다보라고 권유했다. 그들이 그렇게 했지만, 그 결과가 변했을까? 전혀 그렇지 않았다. 그들은 "그 망원경은 악마의 도구에서 나온 것이니, 그 안에서 두 개로 보이는 것이 실제로 두 개라는 뜻은 아니다"라고 말했다. 지금의 천문학도 마찬가지다. 30년 넘게, 우주의 '공기 주머니' 구조를 설명하지 못하고 있다. 제르도비치의 '크레페 이론'도 오래 전에 실패했다. 사실, 물질의 '판'을 만들려고 할 때마다, 열이 발생해 구조가 빠르게 파괴되었기 때문이다. 그런데, 잠깐, 내가 아직 말하지 않았지만, 이 시뮬레이션에서 이탈리아인들이 어떤 것으로 필라멘트 구조를 만들었는지 알려줄까? 바로 '냉각된 어두운 물질'(CDM, Cold Dark Matter)이다. 사실, 지금까지 나는 이 이야기의 전부를 말하지 않았다. 왜 그 부분을 생략했는지 모르겠다. 정확히 말하자면, 이탈리아인이 발표를 시작하기 직전, 나는 두 번째 줄에 앉아 투사기 옆에 있었다. '이론'과 '관측' 사이에 명백한 간극이 있다는 질문을 던지고 20초 정도의 침묵을 얻은 후, 나는 이렇게 덧붙였다:
"1993년, 우리는 이 '공기 주머니' 구조를 이중 모델에서 시뮬레이션을 통해 얻었다."
그리고 아래 그림을 투사기 위에 올렸다.
모든 사람이 그 이미지를 볼 수 있었고, 이전에 보여준 관측 이미지와 매우 유사하다는 것을 알 수 있었다. 그러나 아무도 말이 없었고, 나는 투사기 옆에 서서 어리둥절한 사람처럼 보였다. 모두가 내게 예정되지 않은 그림을 제거하고 자리에 앉기를 기다리고 있었다. 결국 나는 그렇게 했다. 완전한 실패였다.
이 그림은 1995년 '천체물리학과 우주 과학'에 게재되었으며, 이 회의 발표 자료에도 포함되었다(나는 단지 '포스터'만 제출받았고, 아무도 보지 않았다). 또한 나의 책 '우주 반쪽을 잃어버렸다'(알뱅 미셸, 1997년; 하체트, 2000년, 종이책)에도 재출판되었다.
이 회의에 참석하게 된 것은 17년 만이었다. 1983년 이후 나는 CNRS의 임무 예산이나 어떤 예산도 받지 못했기 때문이다. 나는 이 회의에서 대화가 있을지 궁금했다. 아내는 "화요일 세션 시작 전에 내 논문 사본을 70부 정도 사본을 만들어 테이블에 놓아두면 좋을 것 같아"라고 말했다. 나는 그렇게 했다. 논문의 긴 버전(64쪽)을 70부 사본으로 만들었고, 화요일 오전 9시 첫 세션 전에 모든 테이블에 놓았다. 그러나 그 모든 사본은 사라졌다. 회의장의 쓰레기통이나 테이블 아래에 아무것도 발견되지 않았다. 논문의 마지막에는 내 연락처와 이메일이 있었다.
6개월 후: 아무 반응 없음. 완전한 침묵. 작은 질문조차 없었고, 호기심의 그림자조차 없었다.
이것은 과학 소설 같았다. 한 과학자가 갑자기 인식하지 못한 채 투명해지고, 평행 우주로 빠져든다. 그러나 이 회의에서는 나는 매우 잘 행동했고, 예의 바르고 조용했다. 잘 차려입었고, 조용히 있었다. 단지 네다섯 번의 질문을 했는데, 모두 완전한 실패였다. 대규모 구조에 대한 질문도 그중 하나였다. 그러나 나는 다시 '지하와 하늘'의 오래된 호를 꺼내 읽었다. 칼라트바리의 논문을 다시 읽으며 나는 마치 꿈을 꾸는 것 같았다. 천체물리학은 이미 오랫동안 꿈같은 방향으로 흘러왔다. 이 회의에서 나는 메일리에를 알게 되었는데, 포르트와 함께 '보이지 않는 우주'의 첫 번째 지도를 만들었다. 그들은 중력 렌즈 효과를 분석해 이 구조를 추론했다. 이건 그리 어렵지 않다. 붉은(또는 검은, 우주이기 때문에) 배경 위에 흰 점이 있는 고무 냅킨을 상상해보자. 이 냅킨 위에 물방울을 떨어뜨리면, 흰 점들의 이미지가 왜곡된다. 이 냅킨을 수직으로 찍은 사진을 보여준다면, 물방울이 투명하므로 직접 보이지 않지만, 흰 점들의 왜곡을 통해 물방울의 존재와 분포를 재구성할 수 있다. 이와 비슷하게 포르트와 메일리에는 약한 중력 렌즈 효과를 이용해 '보이지 않는 것', '관측되지 않은 것'을 지도화했다. 1999년 세계는 이 결과를 아름다운 색상 사진으로 발표했다.
그러나 이미 그 시절부터 몇 가지 '그림자'가 있었다(자세한 내용은 2001년 6월 회의 발표 참조). '그림자'라는 표현은 적절하다. 실제로 이 지도화 방법은 몇 군데에 은하단의 질량이 수천 개의 은하에 달하는 물질 집합체를 나타내었는데, 이는 알려진 가장 큰 은하단(코마, 비르지니아)의 질량과 맞먹는다. 그런데 그 지역에는 가시광선, 적외선, 자외선, 심지어 엑스선 범위에서도 아무것도 관측되지 않았다. 메일리에가 2001년 6월 회의에서 이 사실을 확인했다. 그는 이전 몇 달 동안 이와 유사한 세 번째 '은은한 은하단'을 발견했다고 말했다. 그는 방금 자신의 지도화 방법의 신뢰성을 강조했는데, 나는 그가 이 '세 개의 은은한 은하단'을 어떻게 설명하는지 물었다. 그의 대답은 무엇이었을까?
"이 은은한 은하단? 내 생각엔, 개인적으로 나는 그것이 존재하지 않는다고 믿는다."
더 이상 물어볼 수 없었다. 그는 자신의 연구를 의심하는 것이었다. 그러나 청중은 아무런 반응 없이 침묵했다. 그 순간부터 나는 진짜 지루함을 느꼈다. 이 회의 동안 나는 솔직히 말해서 정말 지루했다. 어떤 논의도 없고, 합리성도 사라진 분위기에 빠지기 힘들었다. 역할이 정해져 있다. '명망 있는 사람'들이 자신의 결과를 발표한다. 묻지 말아야 할 질문들이 있다. 서로의 침묵이 느껴진다. 모든 것이 이미 정해져 있고, 어떤 '원형을 돌며 찾는 자'가 없는 희극 속에 있다.
이 5일 동안 나는 끊임없는 실패만을 경험했다. 또 다른 예를 들어보자. 오래된 '지하와 하늘' 호에서 나는 이 회의의 주제 중 하나인 엑스선 범위에서의 측정 결과를 다시 찾았다. 은하단이 강력한 엑스선 원천으로 확인되었다. 8~15keV. 이는 1억에서 1.8억 도의 온도에 해당한다. 따라서 은하단 내부에는 이 정도 온도로 가열된 가스가 존재할 것이다. 모두가 고개를 끄덕이며 이 것이 우주의 미스터리 중 하나라고 말했다. 나는 다시 질문했다:
"이제 계산을 해보자:
수소 원자에 대해 계산하면 평균 속도는 1500km/s가 된다. 결국 이것은 정상적이며 합리적인 것 아닐까? 이 속도는 은하의 탈출 속도와 비슷하다. 만약 원자가 더 느리게 움직였다면, 은하가 그들을 포획했을 것이다. 25년 전, 은하 사이에 이렇게 뜨거운 가스가 존재할 수 있다는 아이디어가 제기되었을 때, 나는 원자들의 평균 자유 경로 시간을 계산해보았다. 밀도 추정을 바탕으로 계산했을 때, 이 매체는 매우 충돌성이 낮았고, 그 때문에 이 고온 상태가 유지될 수 있었다. 그렇지 않으면 원자 간 충돌로 인해 가스는 복사 냉각을 겪어 은하에 흡수되었을 것이다. 이 시점에서 중요한 질문은, 이처럼 뜨거운 가스의 기원은 무엇인가이다. 어떤 현상이 이 정도로 가스를 가열했을까? 나는 이 뜨거운 가스가 초기 별들과 동시에 생성되었을 가능성을 제안한다. 우리는 별의 탄생과 관련된 현상에 대해 거의 알지 못한다. 그 이유는 이러한 탄생이 기체 질량의 내부에서 일어나기 때문에, 우리가 직접 볼 수 없기 때문이다. 다만, T-타우리형 별이 매우 격렬한 탄생을 겪을 수 있다는 것은 안다. 모두가 궁금해한다: '왜 이토록 격렬한가?' 나는 이렇게 대답한다. 태양처럼 표면 온도가 낮은 별조차도 주변에 수백만 도의 온도를 가진 코로나를 형성할 수 있다."
그 후 나는 태양 코로나의 MHD 가열 과정을 몇 문장으로 요약했다. 그리고 이렇게 덧붙였다:
"나는 개인적으로 초기 별의 탄생이, 지금은 오래된 별이 된 별들의 탄생과 함께, 강력한 MHD 가열 현상이 동반되었을 가능성을 믿는다. 그 결과, 이 가스의 원자들은 은하의 탈출 속도를 초과하는 온도를 얻어, 다시 돌아올 수 없는 상태가 되었을 것이다."
이것은 단지 기체 운동론의 단순한 계산일 뿐이다. 그러나 내가 마르스어로 말했다면, 그 결과는 지금 내가 겪은 실패와 다를 것이 없었을 것이다. 상황을 상상해보라. 60대 남성(내 자신)이 말을 시작한다. 회의장은 완전히 침묵한다. 단지 이 번잡한 사람을 기다리는 것뿐이다. 그러나 이 아이디어 자체는 흥미로운 것이다. 은하가 형성될 때, 많은 별들이 탄생하고 강력한 에너지 방출이 일어날 수 있다고 상상할 수 있다. 이 시스템은 마치 '오븐'과 같다. 대량의 은하일수록 잔여 가스를 충분히 가열해 탈출하게 만들고, 열운동 속도를 탈출 속도를 초과하게 만들 수 있다. 나는 대량이고 가스가 적은 타원 은하를 생각한다. 반면, 보다 작은 은하는 가스를 유지할 수 있었지만, 수소 원자들에게 탈출 속도를 넘는 속도를 주지는 못했을 것이다.
또는 타원 은하가 충돌하고 융합된 결과, 잔여 가스가 가열되어 탈출했을 수도 있다. 이 아이디어도 타당하며, 논의할 수 있다. 그래서 나는 왜 은하 사이에 1억 도 이상의 수소 가스가 존재한다는 사실을 완전한 미스터리로 여기는지 이해할 수 없다. 그러나 아마도 지금은 미스터리가 유행하는 시대일지도 모른다.
이 회의에서 한 젊은 미국 여성이 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 은하의 탄생을 시뮬레이션한 결과를 발표했다. 그녀는 냉각된 어두운 물질에서 출발해 덩어리들을 얻었는데, 이는 누구나 아는 바와 같이 우주의 주요 구성 요소이다. 그러나 그녀는 당황했다. 그녀의 은하들이 회전하지 않았기 때문이다.
"우리에게 새로운 문제가 생겼다!" 프랑스의 '신우주론자' 대표인 알랭 블랑샤르가 강조하며 외쳤다.
나는 그 미국 여성에게, 팽창을 고려했는지 물었다. 그녀는 매우 당황하며 "아니요, 고려하지 않았습니다."라고 답했다. 게다가, 그녀의 팀에서 우주론을 담당하던 사람은 그 자리에 없었다. 어쩌면 팽창은 우주론의 영역이니까.
물론 그렇다. 그러나 은하가 형성될 당시 우주는 여전히 매우 뭉텅이로 집중되어 있었다. 1억 년과 150억 년을 비교해보면, 거리가 t^(2/3) 비례한다고 가정해도, 초기의 원시 은하들은 지금보다 130배 더 가까이 있었을 것이다(즉, 우리 은하와 안드로메다가 '어깨를 맞대고' 있는 셈). 즉, 그들은 거의 접촉 상태였을 것이다. 따라서 그 시기의 원시 은하들은 충돌성이 높은 매체를 형성했고, 팽창으로 인해 '충돌 빈도'가 감소했다. 오늘날 은하단에서 은하의 평균 자유 경로 시간은 우주의 나이와 비슷하다. 이 현상은 이제 드물지만, 여전히 두 은하의 상호작용 시스템은 관측된다. 원시 은하단은 충돌성이 높은 기체처럼 행동했고, 열역학적 평형 상태로 향했을 것이다. 즉, 다양한 에너지(운동, 회전)가 균형을 이룰 것이다. 그러나 팽창이 이 노력에 방해를 주었고, 매체는 여전히 '비평형 상태'에 머물렀을 것이다. 나는 이 주제로 토론을 시도했지만, 또다시 실패했고, 또다시 침묵이 흘렀다.
최근 '지하와 하늘'에서 은하단 내에서 매우 낮은 질량의 별이 적다는 것이 미스터리라고 읽었다. 그러나 나는 이것이 기체 운동론과 열역학의 간단한 원리에 근거할 수 있다고 생각한다. 서로 다른 질량을 가진 두 종류의 기체가 혼합된 경우, 각각의 평균 운동 에너지는 균형을 이룬다. 예를 들어, 온도 T(이온화 상태를 유지할 수 있는 충분히 높은 온도)의 수소 플라즈마에서 전자는 평균적으로 양성자보다 43배 빠르다. 이 숫자는 질량 비의 제곱근에 해당한다.
다른 관점에서 보면, '중력 스윙바이' 효과를 언급할 수 있다. 질량이 큰 별들이 질량이 작은 별들을 가속시켜 은하단에서 밖으로 쏘아내는 것이다. 그러나 솔직히 말해서, 오늘날 �