2008년 10월 20일 미국 항공우주국(NASA)은 그간 우리가 알고 있던 우주와는 전혀 다른 거대우주를 발견하였다. 연구진은 우주에서 가장 큰 구조(largest structures)인 거대은하성단들(giant clusters of galaxies)을 연구하던 중 시속 320만㎞로 거대은하성단(giant clusters of galaxies)을 이끄는 새로운 암흑류(dark flow)를 발견하였다. 이는 그간 우리가 알고 있던 23%의 암흑물질과 72%의 암흑 에너지와는 다른 것으로 우리 우주 밖에 거대한 우주가 있음을 시사하는 것이다. 연구진은 우주팽창 이론(inflation theory)에 따르면 먼 우주에서 이상한 현상들이 있을 것으로 예상되지만 암흑류를 예상한 학자들은 거의 없었다면서 이 발견으로 학자들은 우주팽창 이전의 우주에 어떤 일이 있었는지, 우리가 볼 수 없는 영역(inaccessible realms)에서 무슨 일이 일어나고 있는지 연구하는데 단서(probe)를 얻을 수 있을 것이라고 말했다.
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[목차]

1. 그간 발견한 23%의 암흑물질과 72%의 암흑 에너지
2. 암흑류의 발견(Dark Flow Discovered)
3. 이상한 운동(Mysterious motions)
4. 우주팽창 버블(Inflationary bubble)
5. 경이로운 발견(Surprising find)
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1. 그간 발견한 23%의 암흑물질과 72%의 암흑 에너지

2006년 3월 미국 NASA의 WMAP팀은 그간 3년간 모은 데이터를 일반에 공개했다. WMAP은 2003년 이미 1년 동안의 데이터를 공개하여 천문학, 천체물리학, 입자물리학 등에 큰 진전을 가져오게 해 주었는데, 이번 데이터 발표는 그 이후 2년 동안 더 모은 데이터를 토대로 한 새로운 결과를 보여주고 있다. 특히 관심있는 내용은 ‘우주 나이는 137억년이다’이다라는 것과 ‘우주 전체 에너지의 74%는 암흑에너지(Dark energy), 22%는 암흑물질(Dark matter), 4%는 우리가 살고 있는 태양계의 통상적인 원자(Atoms)로 이루어진 물질이다’라는 점이었다1).
그런데 2008년 3월 7일 그간 2년의 데이터를 추가한 총 5년의 데이터 분석 결과가 발표되었다2). 우주 극초단파 배경복사의 평균 온도는 절대온도 2.725K(섭씨 영하 270.78도 또는 화씨 영하 455도)이며, 이방성(異方性, anisotropy)에 따라 따듯한 곳과 차가운 곳의 온도 차이가 대략 ± 0.0002(2/10,000, ± 200 microKelvin)도 라는 것이다.

1) NASA-WMP-New Three Year Results on the Oldest Light in the Universe(Mar/2006)
2) NASA-WMAP-Five Year Results on the Oldest Light in the Universe(7/Mar/2008)

[그림. 이방성 온도차이. 빨강색 지역은 따듯한 곳, 푸른색 지역은 차가운 곳, 이 두 지역의 차이는 ± 0.0002도. Credit: NASA/WMAP Science Team]

WMAP는 137억년(빅뱅 후 38만년의 빛을 측정)3) 전의 우주의 초기 구성물질과 오늘날의 구성물질을 측정했다. 137억년 전의 초기 우주의 물질은 암흑물질이 63%, 광자가 15%, 원자가 12%, 그리고 중성미자가 10%였으나, 우주가 팽창하면서 일반적인 가스처럼 암흑물질과 원자의 밀도가 낮아지고, 그대신 광자와 중성미자 입자들은 에너지를 잃어 암흑물질보다 더욱 빠르게 밀도가 낮아졌다.
오늘날의 우주는 항성(별)이나 행성을 구성하는 원자가 4.6%이고, 암흑물질은 23%를 이루는데, 이는 원자와 달리 빛을 방출하지도 흡수하지도 않는다. 다만, 암흑물질의 중력에 의해 간접적으로 감지되는 물질이다. 우주의 72%를 이루는 암흑 에너지는 반중력(anti-gravity, 끌어당기는 중력이 아니라 밀쳐내는 중력) 물질로 오늘날의 우주의 팽창을 가속화 시키는 물질이다. 여기에서 보여주는 WMAP의 데이터는 두자리 숫자로 다 합치면 100%가 되지 않는데, 이는 바로 암흑물질과 암흑에너지를 정확히 정의할 수 없는 WAMP의 한계이지만, 언젠가는 우리 인간들은 이를 정확하게 관측할 수 있을 것으로 예측된다.

3) 빅뱅 후 38만 년 되어서야 우주의 온도가 3000K쯤 식으면서 쿼크들이 유리된 상태에서 자유롭게 움직이다가 하드론 속에 갇히게 된다. 마이너스 전기를 띤 전자 역시 우주 공간을 자유롭게 운동하다 전기를 띤 양성자에 포획된다. 우주가 투명해지는 것이다. 그러면 전자가 양성자에 갇히기 전에는 전자에 충돌해서 무수하게 난반사하던 광자도 아무런 방해 없이 전 우주를 향해 계속 쏟아진다. 투명한 우주로 쏟아지던 이 38만년 전의 빛을 WMAP라는 위성이 2003년에 측정했다(박문호 박사/ETRI).

[그림(02540-05). WMAP이 밝혀낸 빅뱅 후 137억년 동안의 우주의 진화. 왼쪽은 빅뱅 초기의 대폭발에 의해 기하급수적으로 팽창하는 시대이고, 그 다음은 이번에 측정된 38만년 전의 이방성 온도 차이를 가진 빛의 패턴임. 최초의 별은 대략 4억년 전에 탄생. 그 다음 다양한 은하와 행성들이 생성됨. 그 다음 팽창은 중력에 의해 팽창이 둔화. 그러나 오른쪽을 보면 최근에는 팽창이 다시 가속화되고 있는데, 이는 암흑 에너지의 반발(척력) 효과(repulsive effects)가 우주를 지배하기 시작했기 때문임. Credit: NASA / WMAP Science Team4)

4) WMAP-Timeline of the Universe(07/Mar/2008)

결국 우리 인간이나 태양의 빛은 전체 100%의 우주물질 중 4.6%에 불과한 원자로 이루어진 것이며, 그 동안 인간들이 발견한 것은 실제 우주의 고작 4.6%만을 관측하고 탐구해 왔다는 사실이다. 그러나 과학자들은 이들 하나님의 입자들(God particles)5)인 23%의 암흑물질과 72%의 암흑 에너지가 실제 무엇인지를 밝히는데 온 힘을 쏟고 있다. 23%의 암흑물질로 윔프(WIMP, Weakly Interacting Massive Particles)가 아직까지는 가장 유력한 물질이지만 아직 확실한 것은 아니다.

5) [세계에서 가장 크고 강력한 광가속기 구축, 유럽의 "커다란 하드론 입자 충돌기(Large Hardon Collider, LHC)"와 "초집적 뮤온 자기장 원통 코일 솔네노이드(CMS)" 실험기 2007년 11월 완공, 서로 다른 방향에서 빛의 속도로 가속된 두 개의 양성자 빔을 충돌시켜 바로 빅뱅(Big Bang) 바로 이후의 조건을 만들어, 하나님의 입자(God particle)라 불리는 히그스 보존(Higgs boson)을 발견, 은하계의 암흑 물질(dark matter)과 대우주의 암흑 에너지(dark energy)의 비밀과 기타 X-선(rays), 음극선(cathode rays), 알파선, 베타선, 감마선의 창조 원천을 발견하는 것이 목표(Europe - The Large Hadron Collider (LHC) is a particle accelerator which will probe deeper into matter than ever before. Milestone for giant physics lab. It will aim to identify the elusive Higgs boson (known as the "God particle" because of its importance to the standard model of physics), look for so-called supersymmetric particles and seek out the existence of extra dimensions(14/Mar/2007), 02257-SPA] -> 2008년 9월 19일 29Km의 자기원통형이 고장이 나서 지금은 운행이 중단, 2009년 상반기에나 다시 가동 될 것으로 보인다.

2. 암흑류의 발견(Dark Flow Discovered)

암흑에너지(dark energy)는 물론 암흑물질(dark matter)의 정체도 아직 밝혀지지 않았는데 이번엔 기존 우주물리학 법칙으로 설명되지 않는 새로운 우주 수수께끼(baffling cosmic puzzle)가 발견돼 학자들을 곤혹스럽게 하고 있다고 스페이스 닷컴이 2008년 9월 23일 보도했다. 미국 매릴랜드 주 Greenbelt 소재 항공우주국(NASA)의 고다드우주비행센터(Goddard Space Flight Center)의 Alexander Kashlinsky 박사가 이끄는 연구진은 최근 우주의 물질들이 매우 빠르게 같은 방향(a uniform direction)으로 이동하는 현상을 발견했으며 이는 관측가능한 우주(observable universe)에서 일어나는 중력(gravitational forces) 현상으로는 설명할 수 없는 것이라면서 천문학자들은 이 신기한 현상에 암흑류(dark flow)라는 이름을 붙였으며, 이 암흑류를 잡아 당기는 것(stuff)은 관측가능한 우리 우주 밖에 존재하고 있다는 결론을 내렸다. 다시 말해 우리가 알고 있는 우주 밖에 더욱 거대한 우주가 있다는 것이다.

과학자들이 관측가능한 우주를 얘기할 때 그 것은 단지 우리 눈으로 볼 수 없는 먼거리나 우리가 만든 망원경으로는 볼 수 없다는 것만을 의미하는 것은 아니다. 사실 최첨단 망원경이 있느냐 없느냐와 관계없이 우리가 관측할 수 있는 거대한 우주에는 기본적인 한계가 있다. 관측가능한 우주란 빛(light)이 빅뱅(Big Bang) 이후 우주의 전 생애, 즉 137억년 동안 행진하는 범위를 가리키는 것으로, 아무리 멀어봐야 137억 광년(13.7 billion light-years)에 불과한 것이다. 따라서 과학자들은 이 137억 광년 너머에 다른 거대한 우주가 존재할 지도 모른다고 생각하고 있다. 그러나 이 거대한 우주가 얼마나 큰 것인지는 아직 모르며 우리는 137억년 너머에서 이동하는 빛을 볼 수 도 없다.

3. 이상한 운동(Mysterious motions)

과학자들은 우주에서 가장 큰 구조(largest structures)인 거대은하성단들(giant clusters of galaxies)을 연구하던 중 이런 현상을 발견했다. 거대은하성단은 1천 개 가량의 은하들과 함께 X-선을 방출하는(emits X-rays) 고온 가스(very hot gas)가 몰려있는 구조인데 이런 X-선과 빅뱅의 잔해 복사(leftover radiation from the Big Bang)인 우주극초단파배경(CMB, cosmic microwave background)과의 상호작용을 조사하면 은하성단의 움직임도 알 수 있다.

[그림 : 거대은하성단. 블릿성단(Bullet Cluster)으로 알려진 1E 0657-56 성단은 38억 광년 거리에 위치해 있다, 이는 수백 개 은하성단 중의 하나로 이번에 발견된 수수께끼 우주 흐름에 의해 나타난 것으로 보인다. Credit: NASA/STScI/Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.]

X-선은 CMB 내부의 광자들(photons)을 흐트러뜨려(scatter) 온도를 변화시키는 이른바 수니예프-젤도비치 운동 효과(SZ effect, kinematic Sunyaev-Zel'dovich effect)를 일으키는데, 이런 현상은 이전엔 은하단이 뭉쳐있어 관측되지 않았으나 항공우주국(NASA)의 연구진은 우리 우주 크기의 반에 해당하는 60억 광년 거리까지 펼쳐진 700개의 은하성단을 새로운 방식으로 연구하다가 이를 발견했다.

이들은 은하성단들을 NASA의 WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) 위성에 의해 작성된 CMB 지도와 비교하다가 은하성단들이 센타우루스자리(constellations of Centaurus)와 돛자리(constellations of Vela) 사이의 영역으로 시속 320만㎞(200만 mph)에 가까운 속도로 움직인다는(moving) 것을 알게 됐다. 이 운동은 반중력 물질인 72%의 암흑에너지에 의해 오늘날 우리 우주가 외부로 팽창하는 것과는 다른 것이다.

[그림 : CMB 지도. 하얀점의 이동하는 은하단들 내의 뜨거운 가스(hot gas)가 우주극초단파배경의 온도를 변화시킨다. 수백개의 먼거리 은하단들이 자줏빛 타원형 쪽으로 이동하는 것처럼 보인다. Credit: NASA/WMAP/A. Kashlinsky et al.]

Kashlinsky 박사는 "은하단들의 이동 속도는 매우 빨랐으며 거리에 따라 속도가 줄어들지도 않았다. 관측가능한 우주 안의 물질은 이런 흐름을 만들어낼 수 없다(We found a very significant velocity, and furthermore, this velocity does not decrease with distance, as far as we can measure. The matter in the observable universe just cannot produce the flow we measure"면서 이처럼 빠르게 은하단을 움직이는 것은 우리가 아는 우주 바깥 쪽의 어떤 힘일 것이라고 추론했다.

4. 우주팽창 버블(Inflationary bubble)

우주팽창 이론(theory called inflation)에 따르면 우리의 우주는 시간과 공간으로 이루어진 작은 거품(a small bubble of space-time)이 빅 뱅 이후 급속히 확장됐다는 것이지만, 학자들은 이런 거품 밖에(beyond this bubble) 우리가 볼 수 없는 우주의 다른 부분들(parts of the cosmos)이 있을 수도 있다고 보고 있다. 이런 영역에서는 시공간(space-time)이 매우 달라, 별이나 은하도 없을 가능성이 크며, 관측가능한 우리 우주에 존재하는 어떤 구조보다도 큰 거대한 구조(giant, massive structures)가 있어, 우리 우주의 은하단들을 끌어 당기며(tugging) 암흑류를 일으킨다는 것(causing the dark flow)이 학자들의 추측이다.

연구진은 "은하성단을 움직이는 구조는 우주 팽창(inflation)에 의해 수천억광년(hundreds of billions of light years away) 밖까지 밀려나 있어, 이들 구조가 방출하는 빛은 137억년 우주 안에 도달하지 않기 때문에, 가장 먼 거리를 보는 망원경(deepest telescopes)으로도 관측할 수 없을 것"이라고 말하고 "이처럼 일관된 응집 흐름(a coherent flow)을 만들려면 시공간이 왜곡된(some warped space time) 매우 이상한 구조(some very strange structures)를 갖고 있어야 할 것으로 보이지만, 이 역시 순전한 추측일 뿐(this is just pure speculation)"이라고 덧붙였다.

5. 경이로운 발견(Surprising find)

연구진은 우주팽창 이론(inflation theory)에 따르면 먼 우주에서 이상한 현상들이 있을 것으로 예상되지만 암흑류를 예상한 학자들은 거의 없었다면서 이 발견으로 학자들은 우주팽창 이전의 우주에 어떤 일이 있었는지, 우리가 볼 수 없는 영역(inaccessible realms)에서 무슨 일이 일어나고 있는지 연구하는데 단서(probe)를 얻을 수 있을 것이라고 말했다.

이 연구는 천체물리학 저널(Astrophysical Journal Letters) 2008년 10월 20일자에 "A Measurement of Large-Scale Peculiar Velocities of Clusters of Galaxies: Results and Cosmological Implications(은하성단의 거대 특이 이동 관측 : 결과 및 우주의 의미)"(Kashlinsky et al., Astrophysical Journal Letters, V686 N2, 2008)1)라는 논문으로 발표되었다.

1) Kashlinsky, A., F. Atrio-Barandela, D. Kocevski, and H. Ebeling, "A Measurement of Large-Scale Peculiar Velocities of Clusters of Galaxies: Results and Cosmological Implications(은하성단의 거대 특이 이동 관측 : 결과 및 우주의 의미)", The Astrophysical Journal Letters, Vol. 686, No. 2, pp. L49-L52, 20 October 2008.

[소스]

[Space.com-Mysterious New 'Dark Flow' Discovered in Space(23/Sep/2008)]
[동아일보-시속 320만㎞로 은하단 이끄는 ‘암흑류’ 발견(24/Sep/2008)]