[사이언스칼럼] 암흑물질이란 무엇인가?

  • 오피니언
  • 사이언스칼럼

[사이언스칼럼] 암흑물질이란 무엇인가?

김영수 한국천문연구원 천문우주기술센터 책임연구원

  • 승인 2022-12-15 16:27
  • 신문게재 2022-12-16 18면
  • 임효인 기자임효인 기자
김영수 한국천문연구원 천문우주기술센터 책임연구원
김영수 한국천문연구원 천문우주기술센터 책임연구원
현재 천문학의 최대 화두는 암흑물질이다. 그동안은 밤하늘에 빛나는 별들과 성단, 은하들이 우주를 구성하는 물질인 줄 알았다. 그런데 이러한 눈에 보이는 밝은 천체들이 주요 구성원이 아니었다. 이들은 우주 전체 물질의 20% 정도밖에 되지 않는 것이다. 이러한 내용은 안드로메다 은하와 같은 다른 은하의 세부 구조를 관측 연구하여서 알게 된 것인데, 대형망원경으로 은하를 구성하는 개개 별들의 공전속도를 측정한 것이다.

은하에 속한 별들은 은하의 중심 주위를 회전한다. 이 별들은 회전 운동하며 생기는 원심력이 은하의 중심으로부터 잡아당기는 중력과 평형을 이루어서 공전하는 것이다. 뉴튼의 만유인력과 케플러의 궤도운동 법칙이 여기에도 적용되는 것이다. 그런데 별이 빠르게 원운동을 하면 원심력이 커져서 그 은하에 속하지 못하고 튕겨져 나가버리게 된다. 은하의 바깥쪽으로 갈수록 중력이 작아지므로 천천히 회전해야만 원심력도 줄어들어서 그 위치를 유지할 수 있게 된다.

지구 주위를 도는 인공위성도 마찬가지이다. 600㎞ 상공에서 도는 저궤도 인공위성은 1시간 37분 만에 지구를 한 바퀴씩 도는 반면에 36,000㎞ 상공에 높이 떠 있는 정지궤도 위성은 지구 자전속도와 똑같이 하루(24시간)에 한 바퀴씩 돌면서 궤도를 유지한다. 저궤도 위성의 속도는 시속 27,200㎞인데 반해, 정지궤도 위성은 시속 11,100㎞로서 절반에 훨씬 못 미치는 속도로 천천히 돈다.

그런데 은하에 속한 별들의 속도를 측정하여보니, 은하의 중심에서 멀어질수록 별들의 속도가 커지는 것이다. 이것은 만유인력과 케플러의 법칙에 어긋난다. 빠른 속도로 궤도운동을 하는 별들이 은하에서 벗어나지 않고 있으려면 은하가 훨씬 더 무거워서 별을 끌어당기는 만유인력이 훨씬 더 강해야 하는 것이다. 관측결과로부터 계산한 결과, 은하의 질량은 우리가 관측한 소속 별들의 질량 총합보다 5배는 더 커야 한다. 즉, 우리 눈에 보이지 않는 물질들이 4배 더 그 은하에 들어 있어야 하는 것이다. 그렇지만 우리는 그러한 물질들을 알지 못하고 있다. 그래서 '암흑물질'이라고 이름 붙였고, 천문학자들과 물리학자들이 그것을 찾기 위해 불철주야 관측하고 연구하고 있다.

암흑물질의 증거는 또 있다. 아인슈타인의 이론에 따르면 직진하는 빛도 중력에 의해서 휘게 된다. 그래서 우주에서는 중력렌즈라는 현상이 생긴다. 멀리 있는 은하에서 나온 빛이 그 앞에 있는 다른 은하의 중력에 의해 반듯이 직진하지 못하고 휘게 되는 것이다. 그러면 앞에 있는 은하에 가려서 보이지 않아야 할 뒤쪽의 은하가 앞 은하의 옆에 찌그러져서 보이게 된다. 이것이 중력렌즈 현상이다. 그런데 뒤 은하에서 오는 빛의 휘는 정도가 앞 은하의 질량에 비해서 훨씬 더 크다. 앞 은하에 속한 별들의 질량의 총합보다 훨씬 더 무거워야 한다는 얘기다.

그럼 이렇게 별들보다 4배나 더 무거우면서 빛나지 않는 물체는 무엇일까? 우리는 그것이 무엇인지 아직 모른다. 전 세계의 천문학자들이 암흑물질의 정체를 알아내려고 대형망원경과 최신의 관측기기들을 가지고 열심히 관측하고 연구하고 있다. 그 정체를 밝혀내면 노벨상은 따 놓은 당상일 뿐더러, 이러한 물질을 이용해서 인류문명을 4배 이상 훨씬 더 풍요롭게 할 수 있을 것이다. 어쩌면 우리가 아직 알지 못하는 우주의 법칙이 더 있어서, 만유인력과 같은 또 하나의 우주 원리를 찾아낼지도 모르겠다.

우주의 백화점에는 아직도 우리가 알지 못하는 진귀한 물건들이 곳곳에 숨겨져 있다. 알면 알수록 모르는 것이 더 많이 튀어나오는 것 같다. 그렇지만 우주에 대한 의문점을 꾸준히 밝혀내 왔듯이, 암흑물질의 비밀도 100년 이내에 풀어낼 것으로 믿는다. 제임스웹 우주망원경이라는 성능 좋은 망원경이 올해부터 가동되어 우주의 신비를 하나씩 벗겨내고 있다. 지상에서도 구경 25m의 거대마젤란망원경을 비롯한 극대형 망원경들이 건설되고 있다. 대형 우주망원경과 지상의 거대망원경을 이용하여 암흑물질의 근원도 알아낼 수 있을 것이다. 과거 케플러가 행성의 궤도 법칙을 밝혀내어서 현재 인공위성의 궤도를 이루는 기초가 되었듯이, 암흑물질의 원리가 미래 인류의 우주탐사에 중요한 발판이 될 것이다. 김영수 한국천문연구원 천문우주기술센터 책임연구원

중도일보(www.joongdo.co.kr), 무단전재 및 수집, 재배포 금지

기자의 다른기사 보기

랭킹뉴스

  1. '늑구' 탈출 장기화… 포획 원칙에 폐사 가능성 열고 수색 확대
  2. 한국늑대 종복원 18년 노력의 결실 '늑구'… 토종의 명맥 잇기도 '위태'
  3. 세종시의원 20석 주인은 어디로… 경쟁구도 속속 윤곽
  4. KINS, 입체적인 안전점검 체계로 원전 사고 예방… 생활 주변 방사선 안전도
  5. 잊힌 '서울대 10개 만들기'…"부족한 지역 거점국립대 교원 확보부터 절실"
  1. 월평정수장 용출 4곳 중 3곳서 하루 87톤 흘러 …"시설 내 여러 배관 검사부터"조언
  2. [지선 D-50] 안정론 VS 견제론 與野 금강벨트 명운 건 혈투
  3. 대덕특구 '글로벌 과학기술혁신 허브'로… 특구 5개년 육성계획 확정
  4. [중도초대석] 이창섭 부위원장 "U대회로 하나된 충청… 연대의 가치, 전 세계에 알릴 것"
  5. 대덕구, 공약이행 평가 3년 연속 최우수

헤드라인 뉴스


계룡시 모 고교서 3학년 학생이 교사 피습

계룡시 모 고교서 3학년 학생이 교사 피습

충남 계룡시의 한 고등학교에서 3학년 학생이 교사에게 흉기를 휘두르는 충격적인 사건이 발생했다. 등교 직후 학생들이 교실에 머무는 시간대에 교내에서 벌어진 사고로 교육 현장의 안전 관리 체계에 대한 우려가 커지고 있다. 논산경찰서와 소방 당국에 따르면, 13일 오전 8시 44분경 계룡시 소재 모 고등학교 교장실에서 이 학교 3학년인 A 군이 30대 남성 교사 B씨를 향해 흉기를 휘둘렀다. 당시 경찰의 119 공동 대응 요청을 받고 출동한 구급대원들은 등과 목 부위를 다친 B 교사를 인근 대학병원으로 긴급 이송했다. 다행히 B 교사는..

"국회 국토위 법안소위, 14일 행정수도 건설 특별법 결론내자"
"국회 국토위 법안소위, 14일 행정수도 건설 특별법 결론내자"

4월 14일 열리는 국회 국토교통위원회 법안심사소위원회에서 '행정수도 건설 특별법' 처리를 요구하는 목소리가 커지고 있다. 특별법 없이는 대통령 집무실과 국회의 안정적인 이전이 어려운 만큼, '밤샘 논의'를 통해서라도 결론을 내자며 강하게 압박하고 있다. 조국혁신당 황운하(비례)·무소속 김종민 의원(세종시갑)은 13일 오전 국회 소통관에서 공동 기자회견을 열고, "14일 국토위 법안소위에서 행정수도 특별법을 최우선 안건으로 상정하고 밤샘 논의를 통해서라도 통과시키자"고 촉구했다. 더불어민주당 강준현(세종시을)·이정문(천안시병) 의원..

꼭두새벽에 `쾅` 폭발음에 전쟁이라도 난 줄, 청주 봉명동 폭발사고 처참한 현장
꼭두새벽에 '쾅' 폭발음에 전쟁이라도 난 줄, 청주 봉명동 폭발사고 처참한 현장

13일 오전 4시께 청주시 흥덕구 봉명동 일원에서 LP가스 누출로 추정되는 폭발 사고가 발생해 인근 아파트와 상가 유리창과 차량이 파손됐다. 새벽 시간이라 대부분 잠을 자고 있던 주민들은 폭발음에 놀라 대피하는 등 소동이 벌어졌다. 폭발로 인한 파편으로 인근 주택과 아파트 유리창이 깨지고 주민 15명이 부상 치료 중인 것으로 파악되고 있다. 주민들은 "전쟁이라도 난 줄 알았다. 어디부터 수습해야 할지 막막하다"며 놀란 가슴을 쓸어 내리기도 했다. 처참했던 사고 당시 현장 화면을 영상에 담았다. 금상진 기자금상진 기자 | 영상:독자제..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 대전시 선관위, 지방선거 50여일 앞두고 투표참여 캠페인 대전시 선관위, 지방선거 50여일 앞두고 투표참여 캠페인

  • 초여름 날씨에 등장한 반팔 초여름 날씨에 등장한 반팔

  • 대전한화생명볼파크는 오늘도 매진 대전한화생명볼파크는 오늘도 매진

  • 벚꽃 만개한 보령 주산 벚꽃길 ‘장관’ 벚꽃 만개한 보령 주산 벚꽃길 ‘장관’