제임스 웹 망원경이 흔드는 우주론 — 우주 파괴자 은하와 암흑 물질 | 우주 여행

우주가 생긴 지 3억 년도 안 됐을 때 이미 거대한 은하가 존재했다. 제임스 웹 망원경이 보내온 데이터가 지금까지 과학자들이 믿어온 우주론의 기초를 뒤흔들고 있다.

제임스 웹 망원경이 찍은 사진이 특별한 이유

제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 2022년 공개한 첫 번째 이미지를 기억하는가. 수천 개의 은하가 빽빽하게 들어찬 그 사진은 단순한 '예쁜 우주 사진'이 아니었다.

우선 찍는 방식부터 다르다. 허블 망원경이 가시광선으로 우주를 보는 것과 달리, 제임스 웹은 적외선 센서를 사용한다. 수소 먼지 구름은 가시광선을 막아버리지만 적외선은 통과시킨다. 덕분에 이 망원경은 먼지 뒤에 숨어 있던 천체들을 처음으로 선명하게 포착할 수 있었다.

그런데 그 이미지에서 눈길을 끄는 것이 있다. 사진 가운데를 가득 채운 은하단 주변으로 붉은 호(弧) 모양의 빛이 휘어져 있다. 이것이 바로 중력 렌즈 효과다. 앞에 있는 은하단의 중력이 돋보기 역할을 해서 그 뒤쪽 먼 우주에서 오는 빛을 휘게 만든다. 그 휘어진 빛이 붉은 호 형태로 찍힌 것이다.

그리고 결정적인 사실이 하나 더 있다. 우리가 그 사진에서 보는 빛은 지금 이 순간의 우주가 아니다. 130억 년 이상을 여행해 온 빛이다. 즉, 그 이미지는 현재가 아니라 과거의 잔상이다. 우주가 이제 막 걸음마를 시작하던 시절의 모습이 지금 우리 눈에 들어오고 있는 것이다.

우주 파괴자 은하란 무엇인가

제임스 웹 망원경이 쏟아내는 관측 데이터 중에서 과학자들을 가장 곤혹스럽게 만드는 것이 이른바 '우주 파괴자 은하(Universe Breaker Galaxies)'다.

이 은하들은 빅뱅 이후 겨우 3억~5억 년밖에 지나지 않은 시점에 이미 발견됐다. 우주 전체 나이가 약 138억 년임을 감안하면, 우주 역사의 아주 초반부에 해당한다. 문제는 그 크기다.

이 은하들 안에는 100억 개 이상의 태양 질량에 맞먹는 별들이 이미 존재하고 있었다. 우리 은하 기준으로 봐도 엄청난 질량이다. 그런데 이런 거대한 별 집단이 불과 3억~5억 년 만에 만들어졌다는 것이 무슨 의미인지 짚어봐야 한다.

별이 만들어지려면 기체가 뭉치고, 식고, 중력으로 압축되는 과정이 필요하다. 이 과정은 수십억 년이 걸린다는 것이 지금까지의 상식이었다. 그런데 우주 파괴자 은하는 그 상식을 정면으로 거스른다. 수십억 년이 필요한 일이 수억 년 만에 끝나 있었다.

이 발견이 '파괴자'라는 이름을 얻은 이유가 바로 여기 있다. 은하의 형성 이론을 통째로 뒤집어버리기 때문이다.

기존 이론이 틀렸다는 증거들

현대 천문학의 표준 모델은 ΛCDM, 즉 람다-차가운 암흑 물질 모형이다. 이 암흑 물질 모형은 우주가 어떻게 구조를 형성하고 성장했는지를 설명하는 가장 신뢰받는 이론이다. 그런데 제임스 웹의 데이터가 이 모형에 직접적인 도전장을 내밀고 있다.

ΛCDM 모형에 따르면 초기 우주의 물질은 매우 천천히 뭉쳐야 한다. 기체가 냉각되는 속도, 암흑 물질이 중력 우물을 만드는 속도, 별이 탄생하는 속도 모두 일정한 물리적 한계 안에서 이루어진다. 그 한계 중 하나가 별 생성 효율이다.

일반적으로 기체 구름이 별로 바뀌는 효율은 전체 가스 질량의 10% 내외다. 나머지 90%는 별이 만들어지는 과정에서 뿜어져 나오는 에너지, 즉 항성풍과 복사압으로 인해 흩어져 버린다. 이것이 기체역학이 허용하는 자연스러운 한계다.

그런데 우주 파괴자 은하가 빅뱅 후 3억~5억 년 만에 100억 태양 질량의 별을 갖추려면, 별 생성 효율이 거의 100%에 육박해야 한다는 계산이 나온다. 기체가 거의 전부 별로 바뀌어야 한다는 뜻이다. 물리적으로 사실상 불가능에 가까운 조건이다.

이것은 관측 오차가 아니다. 측정 장비가 더 정밀해질수록 이 수치는 오히려 더 뚜렷하게 나타나고 있다. 과학자들이 "도구 문제"가 아니라 "이론 문제"일 수 있다고 말하기 시작한 배경이다.

초기 우주의 은하가 왜 이미 나선형인가

우주 파괴자 은하가 던지는 두 번째 수수께끼는 크기 문제가 아니라 형태 문제다.

초기 우주는 지금과 달리 은하들이 충돌하고, 기체가 격렬하게 난류를 일으키며, 곳곳에서 폭발적인 별 생성이 이루어지는 혼돈의 시기였다. 우리가 이론적으로 예상하는 그 시절 은하의 모습은 불규칙하고 파편화된 형태, 한마디로 어지럽게 흩어진 덩어리들이다.

그런데 실제 관측 결과는 달랐다. 제임스 웹이 포착한 초기 우주의 은하들 중 상당수가 이미 얇은 원반 구조에 나선형 팔까지 갖추고 있었다. 지금 우리 은하와 비슷한, 질서 정연하게 회전하는 구조다.

이것이 왜 문제인지 설명하자면, 각운동량 보존 법칙과 유체역학 방정식을 생각해야 한다. 별들이 안정된 원반 형태를 유지하면서 나선 팔을 만들려면 그 회전 구조가 수억 년 이상 교란 없이 유지되어야 한다. 그런데 그 시기 우주의 환경은 그런 안정성을 허락하지 않아야 정상이다.

현재의 물리 방정식으로는 이 형태가 존재할 수 없다. 그런데 존재한다. 이것이 우주 파괴자 은하라는 이름이 단순한 과장이 아님을 보여주는 두 번째 이유다.

과학자들이 지금 무엇을 다시 쓰고 있는가

이 모든 관측 결과 앞에서 과학자들은 어떤 반응을 보이고 있을까.

처음에는 "측정이 잘못됐겠지"라는 반응이 많았다. 새 장비 특유의 보정 오차가 있을 수 있고, 적색편이 계산에서 착오가 있을 수도 있다는 주장이었다. 하지만 데이터가 누적될수록 이 해석은 설득력을 잃었다. 여러 연구팀이 독립적으로 검증해도 같은 결과가 나왔다.

현재 과학계에서 논의 중인 방향은 크게 세 갈래다.

첫째, 암흑 물질의 성질을 다시 봐야 한다는 주장이다. 기존 ΛCDM 모형에서 가정하는 차가운 암흑 물질 대신, 다른 위상 구조나 상호작용 방식을 가진 암흑 물질이 존재할 수 있다는 것이다. 암흑 물질의 성질이 바뀌면 물질이 뭉치는 속도와 방식도 달라진다.

둘째, 초기 우주의 자기장이 지금보다 수백 배 강력했을 수 있다는 가설이다. 강력한 자기장 장력이 기체 구름을 더 빠르게 압축하고, 나선 팔 구조를 더 일찍 안정시켰을 가능성이다. 이 가설은 원반 형태의 조기 형성을 설명하는 데 가장 주목받고 있다.

셋째, 우주론 자체의 근본 가정을 재검토해야 한다는 목소리도 있다. 우주 팽창 속도 상수인 허블 상수의 값 문제나, 암흑 에너지의 성질에 대한 재논의도 이 흐름과 맞물려 있다.

아직 어떤 하나의 답이 나오지는 않았다. 하지만 과학자들이 교과서를 펼쳐 놓고 "이 부분이 맞는가?"라고 묻기 시작했다는 사실 자체가 이미 중요한 변화다.

마무리 — 우리가 우주를 다시 배우는 시대

제임스 웹 망원경은 더 좋은 카메라가 아니다. 우리가 알고 있다고 믿었던 우주의 역사를 검증하는 도구다. 그리고 그 검증 결과는 "우리가 모르는 것이 훨씬 많다"는 쪽으로 가리키고 있다.

우주 파괴자 은하는 우주가 3억~5억 년이라는 짧은 시간 안에 100억 태양 질량의 별 집단을 만들 수 있었다는 사실을 보여줬다. 그리고 그 은하들이 이미 안정된 나선 원반 형태를 하고 있었다는 것도 보여줬다. 이 두 가지 사실 앞에서 기존 암흑 물질 모형은 흔들리고 있다.

과학이 흔들린다는 것은 과학이 실패한다는 뜻이 아니다. 더 정확한 방향으로 나아가고 있다는 신호다. 제임스 웹이 보내는 데이터 하나하나가 우주론을 다시 쓰는 재료가 되고 있다. 지금 우리는 그 과정의 한가운데 있다.