우주의 95%는 미지의 것 — 우리가 모르는 우주 이야기

인류는 수천 년 동안 밤하늘을 올려다보았습니다. 바빌로니아의 사제들이 별의 움직임을 점토판에 새겼고, 갈릴레오는 목성의 위성을 발견하며 우주의 중심을 바꾸어 놓았으며, 허블은 우리 은하 너머에 또 다른 은하가 있다는 사실을 증명했습니다. 그 모든 위대한 발견들이 쌓여 이루어진 현대 천문학. 그런데 만약 우리가 지금껏 관측하고 이해해온 모든 것 — 별, 행성, 성운, 은하, 그 찬란한 우주의 모든 것이 — 실제 우주의 단 5%에 불과하다면 어떻겠습니까?

이것은 공상 과학 소설 속 이야기가 아닙니다. 현재 물리학이 도달한 가장 냉혹하고 충격적인 결론입니다.

우주의 성분표 — ΛCDM 모델이 말하는 것

현대 우주론의 표준 모델인 ΛCDM(람다-차가운암흑물질) 모델에 따르면, 우주는 세 가지 성분으로 이루어져 있습니다. 그리고 그 비율이 우리를 겸손하게 만듭니다.

성분	비율	설명
일반 물질 (바리온)	4.9%	원자로 이루어진 모든 것 — 별, 행성, 가스, 먼지, 당신과 나
암흑물질 (Dark Matter)	26.8%	빛과 상호작용하지 않지만 중력을 행사하는 미지의 물질
암흑에너지 (Dark Energy)	68.3%	우주의 팽창을 가속시키는 미지의 에너지
합계	100%	우리가 "모른다"고 부를 수 있는 것의 95.1%

망원경으로 볼 수 있는 것, 손으로 만질 수 있는 것, 우리의 모든 감각과 도구로 포착할 수 있는 것은 전체의 5%도 되지 않습니다. 나머지 95%는 이름만 붙여졌을 뿐, 그 정체는 여전히 완전한 수수께끼입니다.

1933년, 냉대받은 한 과학자의 의심

이 이야기의 첫 번째 실마리는 1933년으로 거슬러 올라갑니다.

스위스 출신의 괴짜 천문학자 프리츠 츠비키(Fritz Zwicky)는 머리털자리 은하단(Coma Cluster)을 관측하고 있었습니다. 그는 은하단 안에 있는 은하들의 속도를 측정했습니다. 은하들이 얼마나 빠르게 움직이는지를 알면, 은하단의 총 질량을 역산할 수 있기 때문이었습니다. 마치 지구 주위를 도는 달의 속도를 알면 지구의 질량을 계산할 수 있는 것처럼.

그런데 결과가 이상했습니다.

은하들이 너무 빨리 움직이고 있었습니다. 눈에 보이는 별들의 질량만으로는 이 속도를 설명할 수 없었습니다. 만약 은하단의 질량이 눈에 보이는 것이 전부라면, 그 속도로 움직이는 은하들은 진즉에 은하단을 탈출하거나 흩어졌어야 했습니다. 그런데 은하단은 멀쩡히 유지되고 있었습니다.

츠비키는 대담한 결론을 내렸습니다. "보이지 않는 질량이 있어야 한다." 그는 이것을 'dunkle Materie', 즉 암흑물질이라 불렀습니다.

하지만 당시 학계의 반응은 싸늘했습니다. 동료들은 그를 무시했습니다. 측정 오류겠지, 계산 실수겠지. 츠비키는 워낙 고집스럽고 다루기 어려운 성격으로 유명했기에, 그의 주장은 더욱 쉽게 묻혀버렸습니다. 그로부터 40년이 지나도록 암흑물질은 학계의 변방에 머물렀습니다.

1970년대, 베라 루빈이 다시 문을 두드리다

1960년대 말, 한 젊은 천문학자가 안드로메다 은하의 회전을 측정하기 시작했습니다. 그녀의 이름은 베라 루빈(Vera Rubin)이었습니다.

루빈은 당시 천문학계에서 이중으로 싸워야 했습니다. 하나는 우주의 수수께끼와, 다른 하나는 여성을 환영하지 않던 과학계의 벽과. 그녀는 팰로마 천문대에 처음 방문했을 때, 여성용 화장실이 없어서 자신이 직접 표지판을 만들어 붙였다는 일화로도 유명합니다. 그럼에도 그녀는 밤마다 망원경에 매달렸습니다.

측정 결과는 충격적이었습니다.

우리의 상식, 그리고 뉴턴의 중력 법칙에 따르면, 은하 중심에서 멀리 떨어진 별일수록 더 느리게 돌아야 합니다. 마치 태양계에서 명왕성이 수성보다 훨씬 느리게 공전하는 것처럼. 그런데 루빈이 발견한 것은 달랐습니다. 안드로메다 은하의 외곽 별들이 중심부 별들과 거의 같은 속도로 돌고 있었습니다.

이것을 '평탄한 회전 곡선(Flat Rotation Curve)'이라 합니다.

# 은하 회전 속도 예측(케플러) vs 실측값 비교
# 단위: km/s, 거리: 은하 중심으로부터 kpc

거리(kpc)  | 예측 속도(v ∝ 1/√r) | 실측 속도
-----------+---------------------+-----------
   2 kpc   |      220 km/s       |  220 km/s
   5 kpc   |      139 km/s       |  215 km/s
  10 kpc   |       98 km/s       |  210 km/s
  20 kpc   |       69 km/s       |  208 km/s
  30 kpc   |       57 km/s       |  205 km/s
  50 kpc   |       44 km/s       |  200 km/s

→ 중심에서 멀수록 예측과 실측의 차이가 극적으로 벌어진다.
→ 외곽으로 갈수록 "존재하지 않아야 할" 추가 질량이 필요해진다.

이 표를 보면 의문이 생깁니다. 도대체 무엇이 외곽의 별들을 그렇게 빠르게 붙잡고 있는 걸까요?

"보이지 않는 질량이 있어야 한다"

루빈과 동료 켄트 포드(Kent Ford)는 수십 개의 은하를 조사했고, 모든 은하에서 동일한 패턴을 발견했습니다. 이것은 측정 오류가 아니었습니다. 이것은 우주가 보내는 분명한 신호였습니다.

결론은 하나뿐이었습니다. 은하 외곽에는, 눈에 보이지 않지만 중력을 행사하는 **거대한 물질의 헤일로(halo)**가 존재해야 합니다. 빛을 내지 않고, 빛을 흡수하지도 않으며, 그 어떤 전자기파로도 감지할 수 없지만, 분명히 중력을 통해 우주에 존재감을 드러내는 무언가.

츠비키가 40년 전에 의심했던 그것. 이제는 누구도 무시할 수 없게 되었습니다.

루빈의 발견 이후, 암흑물질은 물리학과 천문학의 가장 뜨거운 주제가 되었습니다. 그녀는 노벨 물리학상을 받지 못한 채 2016년 세상을 떠났습니다 — 많은 이들이 가장 부당한 노벨상 누락 중 하나라 말하는 사례입니다.

우주의 95%를 향한 여정의 시작

암흑물질의 존재를 인정하는 순간, 또 다른 질문이 기다리고 있었습니다. 암흑물질이 우주 질량-에너지의 약 27%를 차지한다면, 나머지 68%는 무엇일까요?

1990년대 말, 우주의 팽창 속도를 측정하던 천문학자들이 또 하나의 충격적인 발견을 하게 됩니다. 우주는 느려지는 것이 아니라, 오히려 가속하며 팽창하고 있었습니다. 이 가속을 만들어내는 미지의 에너지를 우리는 암흑에너지라 부르게 됩니다.

인류가 수천 년간 쌓아온 지식은 우주의 5%에 대한 이야기였습니다. 나머지 95%의 이야기는 이제 막 시작되었습니다. 그리고 그 여정은, 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 낯설고, 훨씬 더 경이롭습니다.