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암흑에너지(하프라이프 시리즈)
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| 암흑 물질과 암흑 에너지는 무엇일까?[1] |
1. 개요
Dark Energy암흑에너지는 우주의 가속 팽창을 설명하기 위해 이론상으로 정의된, 그 정체를 알 수는 없으나 분명히 실재하는 것으로 추정되는 에너지이다.
암흑에너지/암흑물질의 암흑이란 알려지지 않은(hidden from knowledge; mysterious)을 의미하는 dark를 한국어로 직역하면서 발생한 일종의 오역이다. 원래대로라면 미지에너지 정도로 번역하는 것이 적당하다.
2. 도입된 이유
우주의 팽창현상이 발견된 이후 성립된 고전적인 우주론에 따르면, 팽창하는 우주 속에서 점점 멀어지는 은하단들 간의 상대속도는 은하단들이 서로 잡아당겨 가까워지려는 힘인 중력의 지속적인 감속효과로 인해 점점 줄어들어야 한다. 즉 우주의 팽창속도는 점점 줄어들어야 한다.그러나 우주의 팽창속도를 조사해보니 감소하기는커녕 반대로 증가하고 있다는 사실이 밝혀졌고, 우주의 팽창을 가속시키는 이 미지의 에너지를 암흑에너지라고 부르게 되었다. 아직까지는 우주의 팽창현상을 설명하기 위해 암흑에너지의 존재를 수학적으로 가정하고 있는 수준이지만, 학자들 사이에서 이 이질적인 에너지가 일단 정체를 모르긴 하나 실존하는 것으로는 여겨진다.
간단히 말해 우주 전체를 바깥쪽으로 잡아 당기고 있는 (혹은 밀고 있는) 수수께끼의 힘일 뿐이다. 'Dark'라는 말 자체가 한국어의 '모른다', '의문의' 수준의 말이니, 실제 뜻은 암흑에너지보다는 미지에너지에 더 가깝다.
우주를 구성하는 물질 및 에너지 중 현재 거의 70%에 달하는 가장 많은 비율을 차지하고 있으며, 심지어 공간이 팽창하면서 밀도가 줄어드는 일반 물질[2], 빛[3]과는 달리 암흑에너지는 밀도가 줄어들지도 않아, 마치 공간이 확장함에 따라 에너지 자체가 복사가 되는 것처럼 보이기 때문에, 실질적인 해당 구성 비율은 계속 늘어날 전망이다.
3. 우주상수와 진공에너지
[math(\displaystyle R_{\mu\nu} - \frac{1}{2}Rg_{\mu\nu}+{\color{red} \,\LARGE\Lambda} g_{\mu\nu} =kT_{\mu\nu})]
수식에서 [math({\color{red}\Lambda})]가 바로 우주상수이다.
우주상수는 아인슈타인의 장방정식에 추가되는 항으로서 주로 Λ(람다)로 표기한다. 천체들을 서로 밀어내는 만유척력의 역할을 하며 우주의 팽창 정도와 관계없이 일정한 에너지 밀도를 유지하는 특징을 가지고 있다.
우주상수와 암흑에너지는 같은 개념으로 취급되는 경우가 많다. 단, 우주상수의 개념은 은하 간의 중력으로 우주가 붕괴하는 것을 막기 위해 아인슈타인에 의해 이론적으로 도입되었고, 현대의 암흑에너지는 이미 관측된 가속 팽창을 설명하기 위해 도입되었다는 차이가 있다. 가속 팽창을 설명하기 위한 포괄적인 개념이 암흑에너지라면, 우주상수는 이를 수학적으로 설명하기 위해 도입된 암흑에너지의 한 가지 후보라고 할 수 있다. 현재까지의 연구에 따르면 암흑에너지는 우주상수의 형태로 존재할 가능성이 가장 높다고 한다. 물론 공식에 대입했을 때 관측 결과와 잘 맞아 떨어진다는 것이며, 왜 우주상수가 되어야 하는지는 아인슈타인 때와 마찬가지로 오리무중이다.
암흑에너지는 양자역학에서 유도되는 개념인 진공에너지에 자주 비유되는데, 진공에너지는 말 그대로 아무 것도 없는 진공에 존재하는 기저에너지를 이른다. 진공 내에서는 양자요동에 의해 가끔씩 입자-반입자가 자발적으로 생성되어 쌍소멸을 일으키는데, 이로 인해 진공에는 암흑에너지와 비슷한 형태의 음압이 발생하게 된다. 이는 카시미르 효과를 통해 실제로 증명되었다.
문제가 있다면, 양자장론에서 예측되는 우주의 진공에너지 밀도와 관측으로 얻어진 암흑에너지의 밀도를 비교하면 진공에너지 측이 1050~10120배 정도 크다는 점이다. 즉, 암흑에너지가 진공에너지라면 이론에 비해 약해도 너무 약한 것이 된다. 이는 반대로 이론적으로 예측되는 만큼의 진공에너지가 왜 발견되지 않는가라는 의문으로도 이어지게 된다. 이를 우주 상수 문제라고 한다.
4. 우주 팽창에 대한 기여
현재 암흑 에너지는 우주에 지대한 영향을 끼치고 있지만 막상 빅뱅 직후의 암흑에너지의 양은 무시해도 될 정도로 적었다. 이후 우주가 팽창해 나감에 따라 일반 물질이나 암흑물질의 밀도는 점차 희박해진 반면, 상대적으로 밀도의 변화가 적거나 없는 암흑에너지는 우주가 커질수록 중요해졌다. 즉 후술할 물질과 암흑에너지의 비율은 고정된 값이 아니며 우주의 나이에 따라 변화한다. 우주 탄생 이후 약 5만 년까지는 빛이, 100억 년 정도까지는 물질 및 암흑물질이 우주의 대부분을 차지하고 있었지만, 현재 우주는 암흑에너지가 물질로부터 우주의 지배권을 넘겨받는 단계에 위치해 있다. 미래에는 결국 암흑에너지가 우주의 99% 이상을 차지하게 되는 결말이 기다리고 있다.현재까지의 관측 결과에 따르면 우주는 일반적 물질이 4.84%, 암흑물질이 약 25.8%, 암흑에너지가 약 69.2%[4]의 비율을 차지하고 있다. 즉 우리가 관측할 수 있는 양성자와 중성자로 이루어진 일반적인 물질(Baryonic Matter)이 관여하는 부분은 5% 이내라는 것. 다시 말해 우주의 전체 질량의 95%가량은 아직 인류가 물리학적인 특성조차도 파악하지 못하고 있다는 뜻이다.
이 비율을 통해 우주의 운명을 예측할 수 있는데, 현재까지 밝혀진 결과에 따르면 우리 우주는 다시 수축해서 한 점에 모이지 않고 차갑게 식은 블랙홀과 중성미자들만 남아 엔트로피 최대를 향해 나아가며 무한히 팽창하는 우주가 될 것이다.
현재의 가속 팽창 이외에도 우주탄생 직후에 있었던 급격한 팽창(인플레이션)을 일으킨 원인으로 암흑에너지가 지목받고 있다. 인플레이션 당시의 기하급수적인 우주의 팽창을 암흑에너지가 발생시킨 엄청난 척력의 작용으로 설명하려는 시도이다. 그러나 인플레이션이 현재 우주에서 관측되는 암흑에너지와 어떠한 접점이 있는지는 아직 불투명한데, 이쪽 암흑에너지의 경우 인플레이션을 일으킨 후 모종의 이유로 사라져 버렸기 때문이다.
5. 암흑에너지의 증거
5.1. Ia형(Type One A) 초신성
암흑에너지를 발견하는 데 가장 큰 기여를 한 천체는 초신성이다. 백색왜성이 동반성으로부터 물질을 흡수하던 중 특정 질량에 도달하면 자체 중력을 이기지 못하고 붕괴하여 Ia형 초신성이 발생하게 되는데, 이 덕분에 Ia형 초신성은 그 밝기와 광도곡선이 항상 동일하다는 장점을 가지고 있다.[5] 즉, 일정한 절대등급을 가지고 있기 때문에 거리를 재는 표준 광원으로 사용될 수 있는 것이다.여러 개의 초신성을 기록하여 각각의 거리[6]와 적색편이 사이의 관계를 측정하면 과거 우주의 팽창속도를 알아볼 수 있다. 즉, Ia형 초신성의 밝기가 일정하다고 가정할 때, 빛의 세기는 거리의 제곱에 반비례 하는 밝기를 가지므로 이 밝기를 통해 거리를 추론할 수 있다. 그리고 또다른 거리 측정 방법으로 적색편이가 있는데, 거리에 비례해 적색편이가 더 많이 일어난다는 점을 이용하는 것이다.
이 방법을 통하여 실제 측정을 해보면 거리가 다른 Ia형 초신성을 적색편이를 이용해 동일한 적색편이가 일어나는 위치로 옮겨왔음을 가정했을 때 (지구로부터 동일한 거리라고 생각되는 위치로 옮겼을 때 - 즉 절대등급 -), 멀리 있었던 Ia형 초신성의 광도가 더 어둡게 측정된다.
즉, 밝기가 동일한 Ia형 초신성이 밝기가 다르게 측정되는 것은 거리가 다르다는 것을 의미하며 이는 어둡게 측정된다는 말은 실제 거리는 더 멀다는 의미가 된다. 결국 우주의 팽창속도가 점점 빨라진다고 해석할 수 있다.
5.2. 바리온 음향진동
현재의 우주 거대 구조를 보면 은하단, 초은하단들 사이의 거리가 비교적 일정하게 분포해 있다는 것을 알 수 있다. 이는 빅뱅 직후의 양자요동으로 인해 생성되었던 약간의 비균질성이 인플레이션에 의해 확대되어 중력으로 뭉쳐지는 은하단의 씨앗이 되었기 때문인데, 이는 우주배경복사에서도 확인할 수 있다.재결합(우주배경복사의 발생)이 일어나기 전, 즉 우주 전체가 이온화되어 있었던 시기에는 빛과 강하게 상호작용하는 전자가 자유롭게 돌아다니며 우주를 채우고 있었다. 이로 인해 빛과 물질은 같이 움직였고 동일한 밀도 분포를 보이고 있었다. 이 시기 우주는 매우 뜨거웠기 때문에 빛의 복사압에 의해 지배받고 있었다.
우주의 밀도분포가 완전히 평탄했다면 아무런 일도 일어나지 않았겠지만 인플레이션은 빅뱅 직후 있었던 극소규모의 양자요동을 은하단 스케일까지 확대시켰으며 이러한 급격한 팽창은 우주 전체의 역학적 구조를 불안정하게 만들었다. 그 결과 주변보다 복사압이 강했던 고밀도의 지역들을 중심으로 마치 수조가 출렁이듯이 바깥쪽으로 퍼져나가는 빛의 속도에 가까운 구 형태의 음향파가 발생하였다.
이 진동은 시간이 지남에 따라 점차 감쇄되어 갔지만 빛에 의해 끌려다니던 다른 물질들은 그렇지 않았다. 먼저 암흑물질이 빛의 지배에서 벗어났으며 그 후로 전자가 원자핵에 속박되는 사건(재결합)이 일어나면서 물질은 순식간에 빛과 분리되었다.
그 결과 흥미로운 일이 벌어졌다. 음향파는 재결합 이후로도 계속 진행하면서 점차 감쇄되어 사라졌지만 재결합이 일어났던 시기의 현황이 물질의 분포에 그대로 '얼어붙어' 흔적을 남기게 되었다. 음향파는 동일한 조건 내에서(균등 온도 / 밀도) 동일한 시간동안 (인플레이션 직후~재결합) 진행되었으므로 출발지점(고밀도 지역)을 중심으로 정확하게 똑같은 반경에 그 흔적을 남겼다. 우주배경복사를 푸리에 변환한 파워 스펙트럼 분포를 보면 이 음향파의 진행 현황을 확인할 수 있다.
물질에 남겨진 이 음향진동의 흔적은 그 분포를 기반으로 형성된 은하의 분포에까지 영향을 끼쳤다. 오늘날의 우주에서도 이 음향진동의 흔적이 발견된다. 이 흔적은 매우 희미해서 단순 관측만으로는 발견하기 어렵고 엄청나게 많은 은하들의 공간 분포를 통계적으로 분석하여 상관함수를 측정하는 방법으로 그 존재를 확인할 수 있다. 이 현상을 바리온 음향진동(Baryonic Acoustic Oscillation)이라 부른다.
이 발견이 중요한 점은 동일한 크기[7]를 가진 이 구조가 현재의 우주부터 우주배경복사에 이르기까지 공통적으로 발견된다는 것. 즉, 거리 사다리에서 사용되는 표준 광원과는 별개로 과거와 현재의 우주를 동일한 단위로 놓고 비교할 수 있는 표준 거리계를 얻게 되는 것이다. 이를 이용하면 과거부터 현재까지 우주의 나이에 따른 팽창 정도를 측정할 수 있고 더 나아가 우주 팽창 속도가 변화하였는지를 계산할 수 있다. 그 결과 바리온 음향진동은 암흑에너지의 존재를 지지하는 것으로 나타났다.
5.3. 우주배경복사
우주배경복사에서 발견되는 무늬의 크기를 통해 우주의 곡률을 계산할 수 있다. 현재 우주에서 관측을 통해 추정되는 암흑물질 및 물질의 밀도는 임계밀도 기준으로 약 0.3인 데 반해 우주배경복사를 통해 계산한 우주의 밀도는 1이다. 즉, 암흑물질로도 설명할 수 없는 무엇인가가 우주의 70%를 채우고 있다는 것이 된다.6. 암흑에너지를 부정하는 의견
비주류이긴 하지만, 암흑물질과 마찬가지로, 암흑에너지를 부정하는 학자들도 있다. 암흑에너지라는 개념을 억지로 도입하지 않아도, 밀도(density) 안의 변이(variations), 불균등성(inhomogeneities)과 같은 물리학적인 개념들로 우주팽창을 충분히 설명할 수 있다는 것이다.[출처] 국내에서는 이영욱 연세대학교 교수가 부정론을 펼치고 있는데, 국내에는 이 교수만이 패러다임에 도전하고 있는 것처럼 보도하고 있으나 그 혼자만인 것은 아니다. 다만 이영욱의 경우 우주가속팽창 자체를 문제삼고 있으므로, 우주가속팽창 자체는 인정하되 암흑에너지를 부정하는 다른연구들과는 다른 종류이다. 요컨대 우주가속팽창 자체가 없으므로 암흑에너지도 없다는 것이다.2020년 1월 이영욱 교수는 암흑에너지를 증명했던 논문이 기재됐던 The astrophysical Journal에 23장 가량의 암흑에너지를 부정하는 논문을 발표하였다.[출처2] 이 교수는 우주의 가속 팽창을 발견하는 데 결정적인 기여를 한 Ia형 초신성 관측을 반박하였는데, 광도가 일정하기에 은하까지의 거리를 결정할 때 표준광원[10]으로써 보편적으로 사용되던 Ia형 초신성의 광도가 사실 해당 별이 포함된 은하와 연관성을 지닌다는 점을 지적했다. 쉽게 설명하자면, 빅뱅이 일어난 이후 우주의 역사가 진행되면 은하들 또한 우주의 나이에 따라 진화를 거듭해 나간다. 암흑에너지로 노벨물리학상을 받았던 연구팀은 서로 다른 우주의 나이의 시점에서 발견되는 Ia형 초신성을 절대적인 기준점마냥 광도가 동일하다고 설정하는 오류를 범했다는 것. 축약하면 초신성의 광도진화효과를 전혀 고려하지 않았다는 것이다. 만일 이 주장이 사실로 밝혀진다면 우주가속팽창 이론의 시발이 되었던 연구에 문제가 생기는 셈이다.
하지만 대규모 데이터가 기존 연구를 뒷받침하고 있는 데다가 아직 논문에 대한 반론이 해결되지 않았으며, 설사 해당 논문의 주장이 사실로 드러나더라도 우주가속팽창 가설을 뒷받침하는 증거가 Ia형 초신성만은 아니기에 그 존재를 부정하기는 어렵다는 것이 주된 학계의 의견이다. 정확도를 개선하는 데 도움이 되는 연구라고 보는 정도인 듯. 사실 초신성 관련 관측 정확도에 대해 이영욱 연구진과 아담 리스 사이의 토론만이 간헐적으로 있을 뿐 워낙 다른 증거들이 많아 암흑 에너지나 우주가속팽창에 대한 의심으로 이어지고 있지는 않다.
[1]
쿠르츠게작트의 영상.
[2]
질량은 그대로인데 공간 팽창으로 부피가 늘어나므로 세제곱에 반비례해 밀도가 감소한다.
[3]
스케일이 늘어남에 따라 네제곱에 반비례해 밀도가 감소한다.
[4]
플랑크 탐사선의 2015년 자료를 통해 계산한 값
PDG, Astrophysical constants.
[5]
다만 실제로는 초신성마다 약간의 편차가 존재하며, 별의 화학조성 등에 따라서도 밝기가 변할 것이다.
[6]
광도거리(Luminosity Distance)
[7]
comoving radius, 정확히는 일정하지 않고 우주 팽창에 비례하여 커진다.
[출처]
##
[출처2]
##
[10]
거리의 사다리 문서로.