우주에는 우리가 볼 수 없는 것이 너무 많다
밤하늘의 별과 은하는 우리 눈에 보이는 전부처럼 느껴지지만 사실 그것은 우주의 극히 일부에 불과하다
우주를 구성하는 요소 가운데 대부분은 암흑 물질과 암흑 에너지라는 보이지 않는 존재로 채워져 있다
이 글에서는 암흑 물질과 암흑 에너지가 무엇인지 그리고 그것들이 어떻게 우주의 구조와 운명을 결정하는지를 살펴본다
1. 우리가 아는 우주는 전체의 일부일 뿐이다
현대 천문학과 우주론은 관측 기술의 발달을 통해 우리가 속한 우주에 대해 매우 많은 사실을 밝혀왔다
그럼에도 불구하고 우리는 여전히 전체 우주의 단지 일부분만을 이해하고 있을 뿐이다
우주 전체 에너지 구성 비율을 기준으로 보면 우리가 실제로 관측 가능한 물질은 전체의 약 오 퍼센트에 불과하다
이 오 퍼센트는 별 행성 먼지 가스와 같은 일반적인 물질을 포함하며 우리가 보는 은하나 별들이 모두 이 범주에 들어간다
나머지 구십오 퍼센트는 암흑 물질과 암흑 에너지로 이루어져 있다
암흑 물질은 약 이십오 퍼센트 암흑 에너지는 약 일흔 퍼센트를 차지하는 것으로 알려져 있다
하지만 이들은 빛을 방출하거나 흡수하지 않기 때문에 우리가 일반적인 망원경이나 센서로는 직접 관측할 수 없다
이들은 오직 중력과 같은 간접적인 효과를 통해서만 그 존재를 추정할 수 있다
우리가 현재 알고 있는 물리 법칙들은 모두 가시적 우주에 기초해 세워져 있지만 이 거대한 보이지 않는 세계는 우리가 가진 지식의 한계를 분명하게 보여준다
이 보이지 않는 구성 요소들이 실제로 어떤 성질을 가지고 있으며 어떻게 작용하는지를 알아내는 일은 우주론의 가장 중요한 과제 중 하나가 되었다
2. 암흑 물질은 우주의 구조를 지탱하는 보이지 않는 뼈대이다
암흑 물질은 우주에서 별과 은하가 형성되고 유지되는 데 핵심적인 역할을 하는 존재다
우주에 있는 은하들이 자전하는 속도를 분석해 보면 일반적인 물질만으로는 그 속도를 설명할 수 없다
별들이 은하 중심에서 멀리 떨어져 있음에도 빠른 속도로 회전하고 있는 현상은 보이지 않는 질량이 은하 바깥쪽에 존재함을 시사한다
이 보이지 않는 질량이 바로 암흑 물질로 추정된다
또한 은하 단위보다 더 큰 규모인 은하단에서도 마찬가지다
여러 개의 은하들이 모여 있는 은하단이 중력을 통해 하나의 구조로 묶여 있으려면 매우 큰 질량이 필요하다
그러나 관측 가능한 물질로는 그 질량이 충분하지 않다
이 역시 암흑 물질의 존재를 필요로 하며 이를 통해 우주 구조의 안정성과 대규모 구조 형성을 설명할 수 있다
암흑 물질은 입자 단위로 존재할 것으로 추정되며 현재 과학계에서는 다양한 후보 입자에 대한 이론이 존재한다
가장 많이 연구된 입자 후보 중 하나는 약하게 상호작용하는 무거운 입자이며 이는 중성자보다 무겁고 전자기적 반응을 거의 하지 않아 탐지하기 어렵다
현재 지하 실험실이나 입자 가속기를 통해 암흑 물질 입자와의 직접 상호작용을 찾는 실험이 진행 중이다
또한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 암흑 물질이 있는 경우와 없는 경우를 비교한 결과 암흑 물질이 존재해야만 현재의 우주 구조를 설명할 수 있다는 결론에 도달했다
즉 암흑 물질은 단순한 이론이 아니라 실제로 우주가 지금의 형태를 이루기 위해 반드시 필요한 존재다
3. 암흑 에너지는 우주의 미래를 결정짓는 미지의 힘이다
암흑 에너지는 암흑 물질보다도 더 미스터리한 존재로 남아 있다
그 이유는 암흑 물질이 질량을 가지며 중력적 효과를 통해 간접적으로라도 감지할 수 있는 반면 암흑 에너지는 오직 우주의 팽창이라는 현상에서만 그 존재를 유추할 수 있기 때문이다
우주는 시간이 지날수록 팽창하고 있다는 사실은 오래전부터 알려져 있었다
하지만 최근 들어 밝혀진 사실은 이 팽창이 단순히 유지되는 것이 아니라 점점 더 빠르게 가속되고 있다는 점이다
이는 매우 놀라운 현상이며 기존의 중력 이론만으로는 설명이 되지 않는다
중력이 우주의 질량을 끌어당긴다면 언젠가는 팽창 속도가 줄어들어야 하는데 오히려 그 반대 현상이 나타나고 있기 때문이다
이 가속 팽창을 설명하기 위해 도입된 개념이 바로 암흑 에너지다
암흑 에너지는 공간 자체에 내재된 에너지로서 우주 전체를 밀어내는 반발력 같은 작용을 한다고 알려져 있다
우주의 대부분을 차지하는 이 에너지가 정확히 어떤 메커니즘을 통해 작용하는지는 아직 알려지지 않았지만 우주의 운명을 결정하는 데 결정적인 역할을 한다는 데에는 과학자들 사이에 큰 이견이 없다
만약 암흑 에너지가 앞으로도 계속 우주의 팽창을 가속시킨다면 먼 미래에는 은하들 간의 거리도 너무 멀어져서 서로 인식조차 할 수 없는 상태가 될 수 있다
이를 열적 죽음이라고도 부르며 우주가 에너지 흐름이 없는 정적인 상태로 도달하게 되는 시나리오 중 하나다
반면 어떤 이론은 암흑 에너지의 특성이 시간이 지남에 따라 변화할 수 있으며 이 경우 우주가 다시 수축하는 방향으로 흐를 가능성도 제시하고 있다
이처럼 암흑 에너지는 우주의 시작뿐만 아니라 끝을 결정짓는 요소로 작용할 수 있으며 이를 규명하는 일은 앞으로 수십 년간의 우주 연구에서 가장 중심적인 주제가 될 것이다
과학자들은 암흑 에너지의 본질을 밝혀내기 위해 다양한 우주 망원경과 위성을 통해 우주의 대규모 구조와 팽창 속도를 정밀하게 측정하고 있다
이런 연구들은 궁극적으로 우리가 사는 우주의 본질에 한 걸음 더 가까이 다가가는 데 중요한 역할을 하게 될 것이다