우주의 빈자리, 암흑 물질과 암흑 에너지(사이언스 갤러리 5)

'힉스 다음은 암흑 물질이다' - 우주의 빗장을 여는 열쇠

만물은 원자로 돼 있다. 하지만 원자 단위로 된 '만물'은 '우주 만물'이 아니다. 지구 같은 행성이나 별, 성간 물질 등은 우주 전체의 5%에 불과하다. 나머지 95%는 바로 암흑 물질과 암흑 에너지다. 빛과 반응하지 않아 '암흑'이고, 인류에게 아직 오리무중이어서 '암흑'이다. 한때 '가설'로만 존재했던 그것들의 '실체' 확인에 과학자들이 본격적으로 나섰다. 힉스 입자를 발견한 유럽입자물리연구소도 다음 프로젝트로 '암흑 물질의 발견'을 꼽았다. 암흑 물질 발견에 성공한다면 천체의 형성 과정과 우주 팽창 등 우주론의 베일을 한꺼번에 벗겨낼 수 있을 것이다.

암흑 물질과 암흑 에너지를 찾아가는 여정은 곧 우주가 무엇으로 되어 있는지에 대한 질문이다. 암흑 물질을 규명하는 것은 우주가 어떻게 시작되었으며 은하나 별 같은 천체들이 어떤 방식으로 진화했는지의 우주 역사를 알려준다. 우주의 역사를 알아내는 것은 우주의 미래도 가늠할 수 있게 해준다. 이 책은 오랫동안 암흑 물질을 연구해 온 저자가 관련 이론과 연구 현황 및 과제 등을 흥미롭게 설명한다. 고 이휘소 박사, 김진의 교수 등 한국 과학자들의 기여와, 강원도에 설치된 암흑 물질 탐사 시설 등 국내 연구 상황도 자세히 전한다.



암흑 물질을 찾는 한국의 과학자들

암흑 물질은 중력은 있지만 빛에는 반응하지 않아 검출하기가 매우 어렵다. 무엇이 암흑 물질인지조차 아직까지 규명되지 않았다. 우리가 암흑 물질을 제대로 이해한다면 표준 모형을 넘어선 물질의 본질에 대한 이해에 한걸음 더 진보할 것이다. 마찬가지로 암흑 에너지는 이 우주와 시공간의 본질에 대한 기존 패러다임에 엄청난 전환을 가져올 것이다. 그 파급 효과는 코페르니쿠스의 지동설이 만들어 낸 대변혁을 능가할 것이다.

전 세계적으로 여러 관측 위성뿐만 아니라 지하 실험 등을 이용해 암흑 에너지와 암흑 물질의 정체를 밝히려는 열기가 뜨겁다. 특히 한국 과학자들도 주목할 만한 성과를 내놓고 있다. 물리학자 고 이휘소(윔프), 김진의(액시온), 신상진·이재원(스칼라장) 등은 암흑 물질의 이론적 모델을 만드는 데 기여하였으며, 김수봉 교수 주도의 RENO팀(중성미자 연구), 강원도 양양의 양수발전소에 있는 기초과학연구원(IBS) 지하 실험 연구단의 윔프 탐색 실험 (KIMS), KAIST 내 IBS 액시온 및 극한 상호작용 연구단의 액시온 연구 등이 활발하게 이루어지고 있다.

1 전시실 우주의 비밀을 푸는 열쇠, 암흑 물질

우주는 무엇으로 이루어졌는가 | 검고 텅 빈 공간 | 암흑 물질을 발견하다 | 은하의 암흑 물질 | 암흑 물질은 검지 않다



2 전시실 우주 팽창과 암흑 물질

왜 밤은 어두운가 | 뉴턴의 중력과 아인슈타인의 중력 | 섬 우주 | 정상 우주론과 빅뱅 우주론, 혈투를 벌이다 | 과학자들이 알아낸 우주의 역사는? | 태초의 빛 흔적: 빅뱅 이론과 우주 배경 복사 | 문제 해결의 열쇠는 '암흑 물질'



3 전시실 우주는 어떻게 진화했는가

우주의 크기는 시간에 따라 어떻게 변하는가 | 우리 우주는 편평하다? | 중력 렌즈 현상은 암흑 물질의 증거 | 암흑 물질 고리 | 만물의 근원은 소립자 | 깨져 버린 대칭성 | 파인만 다이어그램



4 전시실 무엇이 암흑 물질인가

어떻게 측정하는가 | 암흑 물질이 되려면 | 암흑 물질에는 어떤 것이 있나



5 전시실 암흑 물질은 어떻게 찾는가

암흑 물질 찾기 | 후보 '차가운 암흑 물질'이 암흑 물질이 되려면 | 중력파의 발견과 급팽창 우주론 | 빅뱅 우주론의 또 한 번의 위기



6 전시실 암흑 에너지를 찾아서

인류 역사상 최고의 난제 | 아인슈타인의 우주 상수 | 제5원소 모델 | 홀로그래픽 암흑 에너지 | 브레인 월드와 변형된 중력 이론 | 암흑 에너지를 측정할 수 있을까 | 우주의 운명 | 전 세계가 암흑 에너지 탐색에 나서다



부록 I 뉴턴 중력을 이용한 프리드만 방정식 유도

부록 II 우주론을 이해하는 데 필요한 기초적인 계산

이재원 저자 이재원은 서울대학교 천문학과를 졸업하고 KAIST 물리학과에서 이론물리학(우주론) 박사 학위를 받았다. 한양대학교, 표준연구원, 프랑스 폴사바티에 대학, KAIST 등에서 박사후 연구원으로 있었으며, 이후 고등과학원 조교수를 지냈다. 현재 중원대학교 신재생에너지자원학과 교수로 있다. 1995년부터 보존 응축된 암흑 물질과 양자 얽힘을 이용한 암흑 에너지 등 우주론과 중력, 양자정보론에 관련된 융합적 연구를 하고 있다.