[IF] 우주의 검은 지배자
양양 점봉산 밑, 땅속 700m 연구실… 아무도 본 적 없지만 반드시 있어야 하는
'암흑물질'을 찾는 실험이 진행되는데… 어떤 물질과도 반응하지 않는 존재
윔프·액시온 등이 강력한 후보… 먼저 찾는 과학자, 무조건 노벨상
강원도 양양 점봉산에 위치한 한국수력원자력 양수발전소. 발전소 지하 방향으로 뚫린 커다란 터널을 따라 차를 타고 2㎞가량을 내려가자, 조그만 2층짜리 연구실이 나타났다. 이곳이 기초과학연구원(IBS) 지하실험연구단의 근거지이다. 땅속 700m 깊이에 있는 연구실 안에는 높이 2m에 이르는 나트륨요오드(NaI) 검출기가 설치돼 있다. 검출기는 벽돌 두 개 크기 정도의 나트륨요오드 결정 덩어리가 3㎝ 두께의 플라스틱, 20㎝ 두께의 납, 3㎝ 두께의 구리와 광물성 기름 등의 차폐막으로 겹겹이 쌓여 있는 구조이다. 연구단이 검출기에서 애타게 기다리는 것은 암흑 물질 후보 윔프(WIMP·Weakly Interacting Massive Particles·약한 상호작용을 하는 무거운 입자)의 신호이다.
암흑 물질은 우주의 4분의 1이 넘는 26.8%를 채우고 있다. 매초 손톱만 한 면적에 수십만개 이상이 지나쳐 갈 정도로 많다. 이현수 지하실험연구단 부단장은 "지금 이 순간에도 우리 몸과 지구 전체를 뚫고 지나가고 있지만 보이지 않는다"면서 "암흑 물질은 다른 입자와 반응하지 않는 특성이 있기 때문"이라고 말했다. 입자는 상호작용을 하면서 보이거나 검출된다. 예를 들어 눈으로 보이는 빛은 물체와 빛의 입자인 광자(光子)와 반응한 결과다. 입자들이 전기적 반응을 하면 전류가 흐른다. 반면 암흑 물질은 빛을 비롯한 어떤 물질과도 반응하지 않기 때문에 보이지도 않고, 검출하기도 힘들다.
◇땅속으로 갈수록 유리하다
암흑 물질 검출은 아주 낮은 확률로 일어나는 우연을 기다리는 지루한 실험이다. 암흑 물질은 검출기조차 그냥 지나치지만, 간혹 검출기 내부의 나트륨요오드 원자핵과 정면으로 충돌하면 빛이 생긴다. 이 빛으로 암흑 물질의 존재를 입증할 수 있다. 계산상으로는 1년에 1~2번 정도 빛이 발생할 수 있다. 지하 깊숙한 곳까지 내려가 검출기를 차폐막으로 둘러싸는 것은 신호의 잡음을 없애기 위해서다. 윔프를 제외한 입자들은 대부분 땅이나 차폐막을 통과하는 동안 각종 물질과 반응을 일으켜 사라진다. 모든 입자를 걸러내고 나면, 윔프만 남는다. 검출기에서 나온 빛이 윔프의 증거라고 확신할 수 있다. 실제로 세계 각국의 윔프 검출기는 모두 폐광이나 동굴 등 땅속에 있다. 일본은 1000m, 이탈리아와 미국은 1400m 이상을 파고 들어갔다. 중국은 쓰촨에 2400m 깊이 실험실을 만들었다. 깊게 들어갈수록 윔프를 제외한 다른 입자가 줄어들기 때문이다. 한국도 더 깊은 곳에 실험실을 만들기 위해 삼척에 부지를 선정한 상태다. 만약 윔프를 발견한다면, 무조건 노벨상감이다. 이 때문에 '암흑 물질 최초 발견'이라는 영광을 얻기 위한 세계 각국의 경쟁은 점차 치열해지고 있다.
암흑 물질 후보로는 어두운 거대 별, 중성미자 등이 있었다. 하지만 실험과 계산을 통해 대부분 후보에서 탈락했다. 현재 가장 유력시되는 것인 윔프이다. 1970년대 말 처음으로 존재가 예측된 윔프는 양성자 질량의 100배 이상일 것으로 추정하는 사람이 많다. 이현수 부단장은 "윔프가 만약 예측하는 특성을 가진 존재라면, 현재 물리학자들이 우주의 탄생과 진화를 거의 완벽하게 설명하고 있다는 뜻"이라고 말했다.
◇모든 이론을 정리하는 입자 액시온
IBS에는 암흑 물질 연구단이 하나 더 있다. 그리스 출신인 야니스 세메르치디스 단장이 이끄는 '액시온(AXION) 및 극한상호작용 연구단'이다. 액시온은 윔프에 이어 둘째로 유력한 암흑 물질 후보다. 액시온은 1977년 원자핵 내에 있는 양성자와 중성자가 어떻게 계속 붙어있는지를 연구하는 과정에서 탄생한 가상 입자이다. 이 입자의 성질을 예측하던 김진의 경희대 석좌교수는 액시온이 '보이지 않는', 즉 '다른 물질과 반응하지 않는 성질'을 가졌다고 처음 주장했다. 액시온이 암흑 물질이라는 이론을 처음 세운 것이 바로 김 교수다.
액시온은 원래 당시 가장 인기를 끌던 세제 이름이었다. 액시온이 있다면 물리학의 난제가 세제로 씻어낸 것처럼 깨끗해진다는 의미에서 이름이 붙었다. 액시온은 윔프와 다르게 아주 가벼운 입자이며, 강한 자기장과 만나면 광자로 변할 것으로 추정된다. 액시온 연구단의 실험 역시 이런 원리를 이용한다. 우주 공간의 자기장보다 1000억배 이상 강한 자석을 검출기 안에 넣고 마치 라디오 채널을 조절하듯 자기장을 조금씩 움직인다. 어느 순간 액시온을 광자로 바꾸는 특정 자기장과 맞아떨어지면 빛이 발생할 것으로 예상된다. 연구단의 김영임 박사는 "액시온의 정확한 질량이나 특성을 모르기 때문에, 아주 성능 좋은 자석을 이용해도 10년 이상이 걸릴 수 있다"고 말했다. 다만 액시온은 가볍기 때문에 예상되는 암흑 물질 전체의 질량을 채우지는 못할 것으로 예상된다. 액시온이 암흑 물질이라면, 또 다른 암흑 물질이 더 있다는 뜻이다.
◇힉스 입자 이후 최대의 숙제
암흑 물질은 2012년 '힉스 입자'가 발견된 이후 전 세계 물리학계의 가장 큰 목표이다. 1960년대 이론적으로 예측된 힉스 입자는 우주를 구성하는 입자들의 질량을 결정해줘 '신의 입자'라는 별명으로 불린다. 거대강입자가속기(LHC)에서 힉스 입자를 발견한 유럽입자물리연구소(CERN) 측은 차기 목표로 '암흑 물질'을 내세우고 있다. LHC가 우주 탄생 초기와 비슷한 환경을 만들 수 있는 만큼, 암흑 물질을 검출하는 것이 아니라 아예 만들어내겠다는 것이다. 문제는 윔프와 같은 암흑 물질이 LHC에서 만들어진다고 해도, 알아볼 방법이 마땅치 않다는 것이다. 이현수 부단장은 "가속기 속에서는 수많은 입자가 동시에 만들어지는데, 입자별로 구분하고 추적하는 것이 보통 어려운 것이 아니다"면서 "예측하고 있는 현상 이외에는 모두 신호의 잡음으로 여기기 때문에 실제 암흑 물질을 알아보기도 쉽지 않을 것"이라고 말했다.
김영임 박사는 "아무도 본 적이 없지만, 암흑 물질은 반드시 있어야만 하는 존재"라고 강조했다. 일본 도쿄대의 요시다 나오키 교수는 138억년 전 대폭발 직후 우주에 암흑 물질이 탄생하지 않았다는 전제 아래 현재의 우주를 가상실험했다. 그 결과 암흑 물질이 없을 때, 별과 은하는 거의 형성되지 않았다. 결국 지구상에 우리가 살고 있는 것 역시 암흑 물질의 덕이라는 것이다.
아인슈타인의 100년전 아이디어서 출발, 끌어당기는 중력에 대항하는 힘… 밀어내는 '암흑에너지' 찾기 나서 2018년부터는 美 애리조나에서 2022년엔 칠레서 거대 망원경으로 관찰, 한국천문연구원 등도 참여 예정
아인슈타인은 인류 역사상 가장 뛰어난 과학자로 꼽힌다. 꼭 100년 전인 1915년 11월 그는 중력으로 시공간이 휜다는 일반상대성이론을 담은 논문을 프로이센 과학아카데미에 냈다. 그런 그가 땅을 치고 후회한 일이 있다. 바로 우주를 팽창시키고 있는 어둠의 힘, '암흑 에너지(Dark Energy)' 때문이었다.
◇아인슈타인이 철회했던 암흑 에너지
아인슈타인은 우주가 팽창도 수축도 하지 않는 정적 상태라고 봤다. 그는 천체끼리 서로 끌어당기는 중력에 맞서 천체를 밀어내는 힘인 척력(斥力)이 있어 힘의 균형을 이룬다는 가설을 내세웠다. 자신의 우주 방정식에는 척력의 세기를 좌우하는 '우주 상수'를 도입했다.
하지만 허블이 1923년 은하들이 지구에서 멀어지고 있다는 사실을 밝혀냈다. 아인슈타인은 우주가 팽창하고 있다면 자신의 정적 우주론이 잘못됐다고 생각했다. 아인슈타인은 곧 이 모든 이론을 "최대 실수"라며 철회했다. 하지만 그의 포기는 너무 빨랐다. 우주 팽창은 척력이 분명히 존재함을 보여주는 증거이기도 하기 때문이다.
1998년 미 항공우주국(NASA)의 애덤 리스 박사 팀은 우주 팽창이 갈수록 빨라진다는 사실을 밝혀냈다. 이들은 이 공로로 2011년 노벨 물리학상을 받았다. 연구진은 서로 다른 은하에서 오는 초신성의 빛을 관측했다. 별의 생애 마지막 단계인 초신성은 어디에서나 절대적인 밝기가 일정하다. 그렇다면 지구에서 보이는 밝기로 초신성까지 거리를 알 수 있다.
등대에서 멀어질수록 등대 불빛은 어둡게 보인다. 따라서 현재 눈에 보이는 밝기와 등대 불빛의 절대적 밝기를 비교하면 나와 등대 사이의 거리를 알 수 있는 것과 같은 이치다.
그런데 초신성이 기존 이론으로 생각한 것보다 훨씬 어두웠다. 기존 이론은 빅뱅 이후 우주의 팽창 속도가 일정하다고 보았다. 즉 우주가 점점 더 빨리 팽창하면서 초신성이 예상보다 더 멀었기 때문에 더 어둡게 보인 것이다. 이때부터 아인슈타인이 말한 척력은 암흑 에너지로 불리기 시작했다. 우주의 에너지 중 68.3%를 차지하고 있는 절대 존재이다. 하지만 아직까지 아무도 그 실체를 알지 못한다.
◇진공 에너지 vs 제5 원소
2000년대 이후 과학자들은 다양한 우주 관측 프로젝트를 통해 암흑 에너지 후보를 추렸다. 먼저 진공 에너지다. 2004년 2월 미국 우주망원경연구소 애덤 리스 박사 팀은 허블 우주망원경으로 초신성 42개를 관측한 결과 암흑 에너지가 아인슈타인이 말한 우주 상수일 가능성이 높다고 밝혔다. 아인슈타인의 우주 상수는 진공 에너지로 설명된다. 물질도 없는 텅 빈 우주 공간인 '진공' 곳곳에 어떤 에너지가 숨어있을 것이란 뜻이다.
고전역학은 진공에는 에너지가 없다고 보지만, 양자역학에서는 진공에도 에너지가 있다고 본다. 아인슈타인과 양자역학이 만난 것이다. 문제는 양자역학으로 계산한 우주의 진공 에너지가 지금껏 알려진 암흑 에너지보다 10(120)배는 더 많다는 사실이다. 그래서 과학자들은 물질에 질량을 부여한 입자인 힉스처럼 특정 시기에만 작용한 입자를 새로운 후보로 내세웠다. 이른바 '제5 원소(quintessence)'이다. 고대 그리스의 아리스토텔레스가 말한 '천상 물질'에서 딴 이름이다. 제5 원소는 초기 우주에서는 가만히 있다가 일정 시간이 지나면서 활동을 시작해 우주를 팽창시켰다는 것이다.
과학자들은 두 방향으로 각각의 이론이 말한 암흑 에너지 후보를 검증하고 있다. 한쪽은 우주를 그대로 촬영하는 측광(測光) 광시야 관측이다. 아인슈타인은 일반상대성이론에서 중력이 큰 천체 주변에서는 시공간이 휜다고 했다. 이런 곳을 지나는 빛도 휜다. 그런데 만약 그곳에 밀어내는 힘인 암흑 에너지가 있다면 끌어당기는 힘인 중력의 효과가 감소할 것이다. 따라서 빛이 덜 휜다.
과학자들은 은하를 촬영한 사진을 분석해 빛이 덜 휜 곳을 찾고 있다. 그곳에 암흑 에너지가 모여 있을 가능성이 높기 때문이다. 칠레 블랑코 천문대에서 관측하는 DES(암흑 에너지 탐사의 영문 약자) 프로젝트가 측광 관측의 대표 주자이다. 이어 LSST(광시야 망원경) 프로젝트가 2022년부터 칠레에서 지름 8.4m의 천체망원경으로 측광 관측을 시작할 예정이다. 한국천문연구원도 여기에 참여하기로 했다.
둘째는 빛을 성분별로 분석하는 분광(分光) 관측이다. 은하의 종류를 알면 어떤 성분에서 어떤 파장의 빛이 나올지 알 수 있다. 1923년 허블은 은하의 파장이 예상했던 것보다 긴 붉은색 쪽으로 치우친 것을 발견했다.
물체가 멀어지면 파장이 긴 붉은색 쪽으로 치우친다. 이를 통해 허블은 우주 팽창을 확인했다. 즉 분광 관측을 하면 천체가 얼마나 멀어지고 있는지 알 수 있다. 멀어지는 천체는 암흑 에너지의 영향을 받는다고 볼 수 있다.
한국천문연구원 송용선 박사는 "분광 관측을 통해 천체의 방위뿐 아니라 얼마나 멀리 있는지에 대한 깊은 정보까지 알 수 있다"며 "우주에 대한 3차원 지도를 만들어 암흑 에너지를 규명하는 방법"이라고 설명했다. 미 에너지부는 2018년부터 애리조나주에서 지름 4m 천체망원경을 이용한 분광 관측 프로젝트 DESI(암흑 에너지 분광 장치)를 시작한다. 한국천문연구원과 고등과학원도 참여하고 있다.
◇일반상대성이론 검증할 위성도 발사
아인슈타인의 일반상대성이론을 검증하는 새로운 연구도 시작된다. 다음 달 2일 유럽우주기구(ESA)는 LISA 패스파인더 위성을 발사한다. 호수에 돌을 던지면 물결이 생긴다. 마찬가지로 아인슈타인이 말했듯 중력에 시공간이 뒤틀리면 중력파가 생겨야 한다. LISA는 위성 안에서 금과 백금으로 만든 무게 2㎏의 공깃돌만 한 정육면체 두 개를 풀어 놓고 상대 거리를 레이저로 정밀하게 잴 계획이다.
두 정육면체 사이 거리는 28㎝. 우주의 다른 힘이 거의 차단된 상태이다. 거리가 미세하나마 변한다면 중력파 때문일 가능성이 높다. 위성 내부에 미치는 힘을 알기 위해 박테리아 한 마리의 무게도 잴 수 있는 정밀 측정 장치가 들어갔다. ESA의 최종 목표는 위성 3개를 각각 500만㎞씩 떨어뜨린 상태에서 상대 위치를 재는 것이다. 이번 LISA 위성 실험은 일종의 사전 점검 차원에서 진행된다.
일반상대성이론은 NASA의 검증을 통과했다. NASA는 2004년 '중력 탐사 B' 위성을 발사했다. 위성 내부에는 완벽한 구형에 가까운 탁구공 크기의 회전체 4개가 섭씨 0도의 진공 플라스크 속에 들어 있었다. 위성은 페가수스자리의 한 별을 향했는데, 만약 지구 중력으로 주위의 시공간이 휘어져 있지 않다면 위성 내부 회전체의 축은 항상 이 별을 향하고 있어야 한다.
하지만 2007년 중력 탐사 B 위성의 회전체 축이 애초 향했던 페가수스의 한 별이 아닌 다른 쪽으로 이동했다는 사실이 밝혀졌다. 볼링공을 물렁물렁한 바닥에 떨어뜨리면 바닥이 움푹 들어가듯, 지구 중력 때문에 주변의 시공간이 휘면서 위성 내부 회전축도 움직인 것이었다.
ESA는 최근 위성 항법 시스템(GPS)용으로 발사했지만 정해진 궤도로 가지 못한 위성 두 대를 아인슈타인의 일반상대성이론 검증용으로 임무를 바꾸기로 했다. 일반상대성이론에 따르면 중력이 강한 물체 주변에서는 시간이 느리게 간다고 했다. GPS 위성에는 과거 상대성이론 검증에 쓰인 위성보다 훨씬 정밀한 원자시계가 들어있어 시간 지연 효과를 재는 데 안성맞춤이다.
우주에 대한 인류의 인식은 결국 아인슈타인에게서 비롯돼 다시 아인슈타인으로 돌아온 셈이다.
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