참세상

나선은하, 여기 보이는 메시에 77(Messier 77)과 같은 천체는 천문학자들이 암흑 물질의 존재를 알아내는 데 중요한 단서를 제공했다. 출처: NASA, ESA, & A. van der Hoeven, CC BY

좋아하는 영웅이 등장하는 대작 비디오 게임을 상상해 보자. 가끔 등장하는 또 다른 캐릭터는 거울에 비친 쌍둥이처럼 생겼고, 닿는 모든 것을 폭발시키는 존재다. 여기에 더해, 게임 곳곳에는 규칙을 바꾸지만 결코 모습을 드러내지 않는 정체불명의 하수인 무리가 숨어 있다.

이 캐릭터들을 물질의 종류로 생각하면, 이 비디오 게임은 우리가 사는 우주의 작동 방식과 매우 비슷하다.

영웅은 우리가 주변에서 볼 수 있는 모든 것을 이루는 보통 물질이다. 반물질은 과학자들이 잘 이해하고 있지만 거의 발견하지 못하는 폭발적인 거울상 쌍둥이다. 암흑 물질은 보이지 않는 하수인이다. 암흑 물질은 어디에나 존재하지만 볼 수 없으며, 과학자들은 그것이 무엇인지 아직 알지 못한다.

이름은 비슷하게 들리지만, 암흑 물질과 반물질은 완전히 다른 존재다. 흥미롭게도 나와 같은 물리학자들은 반물질이 무엇인지 정확히 알고 있지만, 우주에는 거의 존재하지 않는다. 반대로 암흑 물질은 무엇인지 전혀 알 수 없지만, 우주 전반에 매우 풍부하게 존재한다.

반물질: 거울에 비친 쌍둥이

우리 주변의 모든 보통 물질은 원자(atom)라고 불리는 기본 구성 단위로 이루어져 있다. 원자는 양전하를 띠는 양성자(proton)와 그 주위를 도는 작은 음전하의 전자(electron)로 구성된다.

반물질은 보통 물질과 전하가 반대인 쌍둥이라고 생각할 수 있다.

양성자와 전자 같은 모든 입자는 반물질에 해당하는 짝을 가진다. 전자는 반전자에 해당하는 양전자(positron)를 가지며, 양성자는 반양성자(antiproton)를 가진다. 반양성자와 양전자는 반물질 원자, 즉 반원자(anti-atom)를 이룬다. 이들은 전기적 성질이 뒤집힌 거울상과 같다. 물질과 반물질이 만나면 강한 섬광과 함께 에너지로 전환되며 서로를 소멸시킨다.

다행히도, 반물질은 우리 우주에서 매우 희귀하다. 그러나 칼륨처럼 일부 특수한 보통 물질 원자는 붕괴 과정에서 반물질을 생성할 수 있다. 예를 들어 바나나나 칼륨이 풍부한 음식을 먹을 때, 우리는 극미량의 반물질을 만들어내는 원자를 섭취한다. 그 양은 건강에 아무런 영향을 미치지 않는다.

과학자들은 약 100년 전에 반물질을 발견했다. 오늘날 과학자들은 실험실에서 반물질을 생성하고 저장하며 연구한다. 이들은 반물질의 성질을 매우 잘 이해하고 있다. 의사들은 이를 양전자 방출 단층촬영(PET 스캔)에 활용한다. 의사들은 반물질을 생성하는 원자를 극소량 인체에 주입하고, 이 원자들이 몸속을 이동하면서 반물질과 보통 물질이 소멸할 때 발생하는 빛을 촬영한다. 이 과정을 통해 의사들은 인체 내부에서 일어나는 일을 관찰한다.

과학자들은 우주가 탄생했을 때 물질과 반물질이 거의 같은 양으로 존재했음을 밝혀냈다. 이들은 서로 만나 대부분 소멸했다. 다행히도 보통 물질이 아주 조금 더 남아 별과 행성, 그리고 우리 모두를 만들었다.

우리 우주는 존재하지 말았어야 했다|물질과 반물질 문제

물질과 반물질이 서로 접촉하면 소멸하는데, 한때 이 둘이 같은 양으로 존재했다면, 어떻게 지금의 우주에는 반물질보다 물질이 훨씬 더 많이 남아 있을 수 있는가.

암흑 물질: 보이지 않는 하수인

암흑 물질은 훨씬 더 신비롭다. 매우 빠르게 회전하는 회전목마를 타 본 적이 있는가. 그렇다면 혼자서 회전목마 위에 남아 있기가 얼마나 어려운지 알 것이다.

이제 그 회전목마 위에 보이지 않는 하수인들이 함께 있다고 상상해 보자. 이들은 보이지도 않고 만질 수도 없지만, 빠르게 회전하는 동안 당신을 붙잡아 떨어지지 않게 만든다. 당신은 회전목마가 보기보다 무겁고 밀어서 돌리기 어렵다는 사실로 이들의 존재를 알 수 있다. 이 보이지 않는 하수인들은 누구와도 놀거나 대화하지 않으며, 그저 주변에 머물면서 모든 것에 무게를 더한다.

약 50년 전, 천문학자 베라 루빈(Vera Rubin)은 나선은하에서 이와 유사한 수수께끼를 발견했다. 그는 우주적 회전목마와 같은 회전하는 은하를 관측하면서 이상한 점을 발견했다. 은하 바깥쪽에 있는 별들이 예상보다 훨씬 빠르게 회전하고 있었다. 이 별들은 불꽃놀이의 불씨처럼 우주 공간으로 튕겨 나가야 했다. 그러나 실제로는 그렇지 않았다.

이는 마치 회전목마 위의 아이들이 믿을 수 없을 정도로 빠르게 움직이면서도 제자리에 완벽히 머무르는 모습을 보는 것과 같았다.

천문학자 베라 루빈(Vera Rubin)은 나선은하에서 중대한 불일치 현상을 발견했고, 과학자들은 이를 오늘날 암흑 물질로 이해하고 있다. 출처: Carnegie Institution for Science, CC BY

유일한 설명은 무엇인가. 모든 것을 하나로 붙잡아 두는 보이지 않는 ‘무언가’가 추가적인 중력을 제공하고 있다는 것이다. 과학자들은 이 정체불명의 물질을 암흑 물질(dark matter)이라고 불렀다.

그 이후 천문학자들은 우주 곳곳에서 비슷한 이상 현상을 관측했다. 거대한 은하단 안의 은하들이 예상과 다른 방식으로 움직인다. 빛은 은하 주변에서 예상보다 더 많이 휘어진다. 은하들은 보이는 물질만으로는 설명할 수 없을 정도로 강하게 서로 결합한다.

이는 마치 우주의 놀이터에서 아무도 타고 있지 않은데도 그네가 움직이고, 시소가 저절로 기우는 것과 같다.

암흑 물질이라는 이름은 과학자들이 그것의 정체를 알아내기 전까지 사용하는 임시 명칭일 뿐이다. 지난 50년 동안 많은 과학자들이 암흑 물질을 직접 검출하거나 실험실에서 생성하려는 실험을 수행해 왔다. 그러나 지금까지는 아무런 성과도 얻지 못했다.

우리는 암흑 물질이 무엇인지 알지 못하지만, 그것이 어디에나 존재한다는 사실은 안다. 암흑 물질은 아직 발견되지 않은 특이한 입자일 수도 있고, 완전히 예상 밖의 존재일 수도 있다. 그러나 천문학자들은 은하의 회전 속도를 관측함으로써, 우주 전체에는 보통 물질의 약 다섯 배에 해당하는 암흑 물질이 존재한다는 사실을 밝혀냈다.

[출처] How are dark matter and antimatter different?

[번역] 하주영