우리는 우주의 5퍼센트만 볼 수 있습니다. 지구, 태양, 다른 별, 은하를 포함한 눈에 보이는 우주는 양성자, 중성자, 그리고 전자들이 함께 원자로 뭉쳐져 있습니다. 이 평범하거나 중입자적인 물질이 우주 질량의 5퍼센트 미만을 차지한다는 것은 놀라운 일입니다. 그렇다면 나머지는 무엇으로 이루어져 있을까요?
우주의 나머지 부분은 '암흑 물질'이라고 불리는 불가사의하고 보이지 않는 물질과 '암흑 에너지'라고 알려진 중력을 물리치는 힘으로 이루어져 있는 것처럼 보입니다.
암흑 물질
과학자들은 아직 암흑 물질을 직접 관찰하지 못했습니다. 암흑 물질은 중입자 물질과 상호작용하지 않고 빛이나 다른 형태의 전자기 복사에 의해서도 전혀 보이지 않습니다. 그래서 현재의 관측 도구로는 암흑 물질을 탐지할 수 없지만, 과학자들은 암흑 물질이 은하와 은하단에 미치는 중력적인 영향 때문에 암흑 물질이 존재한다고 확신하고 있습니다.
예를 들어 표준 물리학에 따르면, 회전하는 나선은하의 가장자리에 있는 별들은 은하의 가시 물질이 밀집한 은하 중심 근처의 별들보다 훨씬 느리게 움직여야 합니다. 하지만 관측 결과 별들은 은하 원반 내 어디에 있든지 거의 같은 속도로 공전하고 있는 것으로 나타났습니다. 만약 경계에 있는 별이 은하 주변의 헤일로에서 보이지 않는 질량, 즉 암흑 물질의 중력 효과를 느끼고 있다고 가정한다면 이 수수께끼 같은 결과는 타당합니다.
암흑 물질은 천문학자들이 깊은 우주에서 보는 착시 현상을 설명할 수도 있습니다. 예를 들어 만약 훨씬 더 먼 은하에서 나오는 빛이 거대하고 보이지 않는 암흑 물질 구름에 의해 왜곡되고 확대된다면, 이상한 고리와 빛의 호를 포함하는 은하의 사진들이 어떻게 나오게 되는 건지 설명할 수 있습니다. 이것은 중력 렌즈라고 알려진 현상입니다.
과학자들은 암흑 물질이 무엇인지에 대한 몇 가지 가설을 가지고 있습니다. 여러 가설 중 한 가지 주요한 가설은 암흑 물질이 정상적인 물질이나 빛과 상호작용하지 않고 여전히 중력을 행사하는 이국적인 입자로 구성되어 있다는 것입니다. 현재, 유럽 입자 물리 연구소의 대형 강입자 충돌기를 포함한 여러 과학 그룹은 연구실에서 연구를 위한 암흑 물질 입자를 생성하려고 노력하고 있습니다.
다른 과학자들은 암흑 물질의 영향이 근본적으로 중력 이론을 수정함으로써 설명될 수 있다고 생각합니다. 그러한 이론에 따르면 중력의 형태는 다양하며, 은하를 지배하는 큰 규모의 중력은 우리에게 익숙한 중력과는 다릅니다.
암흑 에너지
1990년대 암흑 에너지의 발견은 과학자들에게 완전한 충격을 선사했습니다. 암흑 에너지의 발견 이전에, 물리학자들은 매력적인 중력이 시간이 지남에 따라 우주의 팽창을 늦출 것이라고 가정했습니다. 하지만 두 개의 독립된 팀이 우주 팽창 감속률을 측정하려고 했을 때, 그들은 우주의 팽창 속도가 실제로는 빨라지고 있다는 것을 발견했습니다. 한 과학자는 이 발견을 '다시 아래로 떨어질 것이라고 알고 있으면서도, 천장을 향해 곧장 날아오르는 것을 보기 위해 공중에 열쇠 세트를 던지는 것'에 비유했습니다.
과학자들은 우주의 가속 팽창이 '빈' 공간에서의 양자 변동에 의해 발생하는, 일종의 반발력에 의해 추진된다고 생각합니다. 우주가 팽창함에 따라 그 힘은 점점 더 강해지는 것 같은데, 과학자들은 이 신비한 힘을 암흑 에너지라고 부릅니다. 암흑 에너지는 유체처럼 우주를 가득 채우는 힘의 유형으로, 이전에는 알려지지 않았던 일종의 이론상의 에너지입니다.
많은 과학자들은 암흑 에너지의 알려진 특성들이 우주 상수, 즉 알버트 아인슈타인이 그의 방정식을 정적 우주의 개념에 적합하게 만들기 위해 일반 상대성 이론에 추가한 수학적 항과 일치한다고 지적했습니다. 아인슈타인에 따르면, 그 상수는 우주가 스스로 붕괴되는 것을 막으면서 중력에 대항하는 반발력이 될 것이라고 합니다. 아인슈타인은 나중에 천문학적인 관찰이 우주가 팽창하고 있다는 것을 밝혀냈을 때, 이 우주 상수를 '가장 큰 실수'라고 부르며 그 개념을 버렸습니다.
