패트리샤 버챗 - 암흑물질에 빛을 비추다.

입자물리학자로서 저는 기본 입자들이 가장 근본적인 레벨에서 어떻게 작용하는가를 연구해 왔습니다. 제가 스탠포드 대학의 전자 가속기와 같은 가속기를 가지고 가장 중점을 두고 연구해 왔던 것은 가장 작은 스케일의 물질들이었습니다. 그러나 최근엔 우주와 같은 넓은 스케일에 관심을 갖기 시작했죠. 왜냐하면 제가 나중에 설명할거지만, 가장 작은 것과 가장 큰 것들에 대한 질문은 실질적으로 매우 밀접한 관계가 있기 때문입니다. 이제 저는 우주에 대해 21세기적 관점에서 여러분에게 이야기를 할 것입니다. 그것들이 무엇으로 이루어졌고 또 물리학에서 가장 큰 문제들이 무엇인지, 적어도 그 중 몇가지 큰 문제에 대해 이야기하려고 합니다.

최근에 우리는 우주의 일반 구성 물질 - 여기서 일반적인 물질이라고 하면 여러분이나 저나 행성이나 항성이나 은하와 같은거죠 일반적인 물질들은 우주를 구성하는데 있어서 고작 몇 퍼센트에 불과하다는 사실을 깨달았습니다. 우주를 구성하는 대략 1/4 가량의 물질들은 보이지 않는 것입니다. 보이지 않는다는 것은 전자기파를 흡수하지 않는다는 뜻입니다. 전자기파를 방출하지도, 반사하지도 않습니다. 그것은 우리가 뭔가를 찾을때 사용하는 전자기파와 상호작용하지 않습니다. 당최 아무것에도 반응하지 않더군요. 그럼 그게 거기 있는지 어떻게 알았냐구요? 우리는 중력 효과를 통해 그게 존재한다는걸 알았습니다. 사실 암흑물질은 우주적 스케일에서 중력 효과의 큰 부분을 차지합니다. 그리고 저는 여러분께 그것을 증명해 보이려고 합니다.

이 파이그래프의 나머지는 어떤 걸까요? 파이의 나머지는 암흑 에너지라고 불리는 매우 신비로운 물질입니다. 그건 나중에 이야기하도록 하고요, 지금은 다시 암흑물질의 증거로 돌아가보죠. 은하, 특히 이와 같은 나선은하에서는 대부분의 별들의 질량이 은하 중심부근에 집중되어 있습니다. 이런 모든 별들의 거대한 질량이 별들이 은하 내에서 원형 궤도를 유지하도록 하고 있죠. 그래서 우리는 별들이 이렇게 원을 그리고 있다는걸 압니다. 만약 여러분이 물리학을 좀 아신다면, 직관적으로 아시겠지만 중심 덩어리 부근에 가까운 별들은 멀리 위치한 별들보다 좀 더 빠른 속도로 회전할 것입니다.

따라서 만약 여러분이 별들의 궤도 속도를 잰다면 바깥쪽이 안쪽보다는 느려야 할거라고 생각할 수 있습니다. 다른 말로, 만약 우리가 거리 관계를 염두하고 측정한다면 -- 이 강연에서 그래프는 이거 하나 뿐입니다 -- 우리는 은하중심에서 멀어질수록 속도가 느려질 거라고 예측할 수 있습니다. 측정 결과가 나왔을 때 기대했던것과는 달리 중심에서부터의 거리에 따른 속도는 기본적으로 일정했습니다. 속도가 거리에 관계없이 일정하다는 것은 우리가 보지 못하는 중력 효과가 여기 이 별들에게 작용한다는걸 의미하는거죠. 사실 이 은하와 다른 모든 은하들은 보이지 않는 암흑 물질의 구름에 둘러싸여 있는걸로 밝혀졌습니다. 그리고 이 물질의 구름은 은하보다는 좀 더 구형에 가깝습니다. 그리고 그것들은 은하보다 더 넓은 범위를 차지하고 있죠. 그래서 우리가 은하를 바라보고 거기에다 시선을 두게 되지만 실제로 거기엔 은하의 구조와 움직임을 좌우하는 암흑물질의 구름이 있습니다.

은하 그 자체는 우주에 임의적으로 뿌려진게 아닙니다. 그것들은 은하단을 이룹니다. 한 예로, 이것은 매우 유명한 머리털자리 은하단 입니다. 그리고 이 은하단 안에는 수천개의 은하들이 있죠. 희고, 흐릿하고, 타원형인것들이 여기 있네요. 이런 은하단의 스냅샷을 찍고 10년후에 스냅샷을 찍어 보면 마치 같은 자리에 있는 것처럼 보일 겁니다. 하지만 사실 이 은하들은 매우 빠른 속도로 움직이고 있죠. 은하들은 이 은하단의 중력장 우물(potential well) 안에서 움직입니다. 여기있는 모든 은하들은 움직이고 있습니다. 우리는 이 은하들의 속도, 즉 궤도 속도를 측정할 수 있고 이 은하단 안에 얼마나 많은 질량이 존재하는지도 알 수 있습니다.

그리고 은하단에서도 눈에 보이는 은하들이 가진 것 보다 훨씬 큰 질량이 있다는 것을 발견했습니다. 또 다른 영역의 전자기파 (적외선, 자외선, 엑스선)으로 보면 이 은하단 안에 많은 양의 가스도 존재한다는것을 볼 수 있습니다. 하지만 그것으로도 그 질량을 설명할 수는 없습니다. 사실 일반적인 물질보다 대략 열 배 정도는 더 많은 보이지 않는 형태의 덩어리나 암흑 물질이 있는 걸로 나타나고 있습니다. 우리가 조금이라도 암흑 물질을 직접적으로 볼 수 있었으면 좋겠네요. 제가 이것들이 여기 있음을 여러분에게 상기시키기 위해 이 커다랗고 파란 구체모양을 갖다 놓았습니다만 좀 더 시각적으로 볼 수는 없을까요? 네, 할 수 있습니다.

우리가 그걸 어떻게 할 수 있는지 보여드리겠습니다. 여기 관찰자가 있습니다. 누군가의 눈이나 망원경이 될 수 있겠죠. 그리고 여기 은하가 있다고 가정해봅시다. 우리는 어떻게 은하를 볼 수 있죠? 빛이 은하를 떠나 대략 수백만년동안 우주를 가로질러 망원경이나 우리의 눈으로 들어오게 됩니다. 이제 우리는 은하가 어디에 있는지 어떻게 알 수 있나요? 네, 우리는 우리의 눈에 들어오는 빛의 방향을 보고 알 수 있습니다. 그렇죠? 우리는 빛이 이 방향에서 온다 라고 말 할 수 있습니다. 그 은하는 필시 거기에 있겠죠. 네, 이제 저는 가운데 은하단을 가져다 놓겠습니다. 암흑물질도 잊지 마시고요. 이제 우리가 다른 빛이 이런식으로 떠나가는걸 생각한다면 아인슈타인이 일반상대성이론을 발견했을때 예언했던것을 떠올려 볼 필요가 있습니다. 그것은 덩어리에 의해 발생된 중력장이 입자들의 궤적 뿐만 아니라 빛 그 자체를 휘어지게 한다는거죠.

그래서 빛이 계속 직선거리로 이어지지 않고 굴절되어 최종적으로 우리의 눈에 들어온다면 관찰자에게는 이 은하가 어디에 있는걸로 보일까요? 대답하실수 있나요? 위, 맞죠? 우리는 은하가 여기에 있는 것처럼 보게 됩니다. 은하에서 나온 빛 가운데 관찰자의 눈으로 들어가는 다른 빛은 없는 걸까요? 네 맞습니다. 이렇게 아래로 하시는 분들이 보이네요. 빛이 아래로 내려가고 굴절되어 올라가서 관찰자의 눈으로 들어가고 관찰자에게는 빛이 여기서 온 것처럼 보입니다.

네. 이제 우리가 3차원의 우주에서 살고 있다는 사실을 생각해 봅시다. 네 3차원 공간이죠. 우리의 눈에 들어오는 다른 빛은 없을까요? 네! 그 빛은 마치 아이스크림 콘과 같을겁니다. 그 모든 아이스크림 콘 형태의 빛들이 은하단에 의해 굴절되어 관찰자의 눈 안으로 들어오게 됩니다. 만약 콘과 같은 형태의 빛이 눈에 들어온다면 우리는 무엇을 보게 될까요? 원형, 링과 같은 형태죠. 그것을 아인슈타인이 예언했다고 하여 아인슈타인 링이라고 부릅니다. 네, 이제 만약 광원과 굴절체, 눈이 완전히 직선상에 놓여 있다면 완벽한 링의 형태를 보게 될겁니다. 만약 비스듬히 놓여 있다면 다른 이미지를 보게 되겠죠.

여러분은 오늘밤 리셉션에서 그 이미지가 어떻게 보이게 될지 실험을 해 볼 수 있을겁니다. 그건 우리가 고안해낸 어떤 종류의 렌즈가 이러한 효과를 만들어내는데 적합한 모습을 하고 있기 때문이죠. 우리는 이것을 중력 렌즈라고 부릅니다. 그리고.. 이것이 여러분이 사용할 도구입니다. (웃음) 하지만 윗부분은 무시해 주세요. 여러분께서는 아랫 부분에 주목해주시길 바랍니다. 사실 집이나 와인글래스를 깨뜨릴 수 있는 어떤 장소에서든지 저는 바닥 부분만 구해 와서 기계 공작소에 맡깁니다. 그걸 갈아서 작은 중력 렌즈를 가질 수 있게 되는 거죠. 이제 올바른 형태의 렌즈 모양을 갖추게 되었습니다. 이제 여러분의 실험에서 다음에 해야 할 일은 냅킨을 확보하는 겁니다. 저는 그래프 용지를 확보했습니다. 저는 물리학자니까요. (웃음) 그리고 냅킨의 한가운데에 모델 은하를 하나 그립니다. 그리고 렌즈를 은하 위에 가져다 놓습니다. 이제 여러분은 링을 하나 볼 수 있습니다. 아인슈타인 링이죠. 이제 밑부분을 옆으로 살짝 옮겨 봅시다. 그럼 그 링은 호의 형태로 나눠지게 됩니다. 여러분은 이걸 어떤 이미지 위에다가도 가져다 놓을 수 있습니다. 그래프용지에서는 여러분은 용지의 선들이 어떻게 왜곡되어 있는가를 볼 수 있습니다 이것은 중력 렌즈에 의해 어떤 일이 생길 수 있는가를 보여주는 실제적인 모델의 한 종류입니다.

그럼 질문을 하나 해 보죠. 정말 하늘에서 이걸 볼 수 있나요? 우리가 은하단을 바라보면 이런 호를 볼 수 있나요? 대답은 '네' 입니다. 여기 허블우주망원경이 보내온 사진 한 장이 있습니다. 여러분이 보시는 많은 사진들은 이미 허블 우주망원경이 보내온 것들입니다. 우선 금빛 모양의 은하들, 이 은하들은 은하단 안에 있습니다. 이 은하들은 배경 은하의 빛을 굴절시켜 이런 시각적인 왜곡이나 신기루를 만드는 암흑 물질의 바다 속에 포함되어 있는 것들입니다. 그래서 여러분이 보시는 이런 줄무늬들은 훨씬 더 먼 곳에 있는 은하가 왜곡되어 보이는 것입니다.

그래서 우리가 할 수 있는 것이란 우리가 보는 이 이미지상에서 얼마나 많은 왜곡이 일어났는가를 바탕으로 이 은하단에 얼마의 질량이 있어야 하는지 계산하는 일입니다. 그리고 그 질량은 어마어마합니다. 또한 여러분이 눈으로 보시다시피 이 호들은 개개의 은하를 중심으로 두고 있지 않습니다. 호들은 조금 넓게 퍼져있는 구조에 중심을 두고 있죠. 그것이 바로 은하단을 포함하는 암흑 물질입니다. 그래서 이것이 여러분이 암흑물질의 영향을, 적어도 맨눈으로 볼 수 있는 것 중에서는 가장 가까운 예입니다.

여러분이 이해했는지 체크하기 위해서 간단히 되짚어봅시다. 그래서 우리가 우주의 1/4 중 중력적으로 끌어당기는 물질들이 암흑 물질이라는 증거는 은하에 포함된 별들의 궤도 속도가 지나치게 크다는 점입니다. 별들은 분명 암흑물질 안에 포함되어 있을겁니다. 은하단에 담긴 은하들의 궤도 선회 속도는 너무나도 큽니다. 그것들도 암흑물질 안에 포함되어 있겠죠. 그리고 우리는 중력렌즈효과를 볼 수 있습니다. 다시말하면, 이런 왜곡 현상은 은하단이 암흑물질 안에 있기 때문입니다.

네, 이제 암흑 에너지를 생각해 봅시다. 암흑 에너지가 있다는 증거를 이해하려면 지난 세션에서 스티븐 호킹 박사가 언급한 것에 대해여 논할 필요가 있습니다. 그것은 우주 자체가 팽창하고 있다는 사실이죠. 그래서 우리가 만약 무한한 우주의 한 부분을 상상한다면, 좋습니다. 제가 네개의 나선은하를 놓겠습니다. 그리고 여러분이 줄자 한세트를 내려놓는다고 생각해봅시다. 네 여기 모든 선들이 줄자와 관련이 있습니다. 수평적, 수직적으로요. 어디에 뭐가 있는지 재기 위한거죠. 만약 여러분이 이걸 해 보신다면 날짜가 지나고, 해가 바뀌고 10억년이 흐른 뒤에는 은하 사이의 거리가 더욱 멀어졌음을 알 수 있을겁니다. 그것은 은하들이 우주에서 서로에게서 멀어지기 때문이 아닙니다. 은하들은 우주에서 움직일 필요가 없습니다. 은하들은 우주 자체가 커지고 있기 때문에 서로 멀어지고 있는 겁니다. 네 그것이 우주의 팽창이라는 것이 의미하는 바입니다. 그래서 은하들은 서로 멀어지고 있습니다.

또한 스티븐 호킹 박사가 언급한 것은 빅뱅 이후에 우주가 매우 빠른 비율로 팽창했다는 겁니다. 그러나 중력을 가진 물질이 우주 공간에 내재되어 있기 때문에 그것이 우주의 팽창을 감속시키게 됩니다. 그래서 우주의 팽창은 시간이 지날수록 느려집니다. 그래서 지난 한 세기동안 사람들은 이러한 우주의 확장이 영원히 계속될 것이냐, 느려질 것이냐, 늦어지되 영원히 계속될 것이냐를 두고 논쟁을 했습니다. 느려지면서 멈추느냐, 점차적으로 멈추느냐, 혹은 느려지고 멈추고 반전하면서 다시 수축하느냐. 그래서 십여 년 전에는 물리학자와 천문학자의 두 그룹이 느려지고 있는 우주의 팽창속도의 변화를 측정하는 작업에 착수했습니다. 수십억년 전에 비해 오늘날에는 팽창 속도가 얼마나 느려졌는가를 알아보는 거죠.

이러한 실험에 의해 현재의 우주는 수십억년전보다 더 빠르게 팽창하고 있다는 놀라온 결과가 나왔습니다. 즉 실제로 우주의 팽창은 가속되고 있다는 거죠. 이건 정말 놀라운 사실입니다. 어떻게 이런 일이 발생하는지에 대한 설득력있는 이론적인 논거조차도 없죠. 무엇이 발견될 것인가에 대해 예전에 아무도 예측하지 못했습니다. 이건 기대했던 사실과 완전히 반대였죠. 그래서 우리는 이 현상을 설명할 수 있는 무언가가 필요했습니다. 지금은 에너지 라는 용어를 사용하여 그것이 수학적으로 밝혀지게 되었습니다. 그러나 그것은 우리가 알고 있는 어떠한 형태의 에너지와도 완전히 다른 것이었습니다. 우리는 그걸 암흑 에너지라 부릅니다. 그리고 그것은 우주를 확장시키는 효과를 가지고 있죠. 그러나 우리는 암흑 에너지를 도입해야 할 타당한 이유를 갖고 있지 않습니다. 그래서 우리가 그걸 왜 도입해야 하는지는 정말 설명하기 어려운 부분입니다.

그래서 현재로서는 제가 여러분에게 강조하고 싶은것은, 우선, 암흑물질과 암흑에너지는 완전히 다른 것이라는 겁니다. 우주의 대부분을 이루는 정말 신비로운 물질이 두가지 있고, 또 그것들은 굉장히 상이한 효과를 갖고 있다는거죠. 암흑 물질은 중력에 의한 끌어당김으로 구조적인 성장을 이끌어내는 경향이 있죠. 그래서 은하단이 이러한 중력에 의해 외관을 구성하려는 경향을 보입니다. 반면에 암흑에너지는 은하 사이에 더 많은 공간을 만들고 있습니다. 서로간의 중력에 의한 끌어당김 효과를 감소시키고 그리하여 구조적인 성장을 방해하죠. 그래서 은하단 같은 것들이 수적으로 어느정도 밀집되어 있는가 시간적인 영향이 얼마나 많이 있었는가를 관찰함으로서 우리는 암흑 물질과 암흑 에너지가 구조를 형성하는데 있어서 어떻게 서로 경쟁하고 있는지 배울 수 있습니다.

암흑 물질의 시점에서 보면 제가 말했듯이 우리는 정말로 어떠한 설득력있는 논거를 가지고 있지 않습니다. 우리는 암흑에너지를 설명할 수 있는 뭔가를 가지고 있나요? 그 대답은 '네'입니다. 우리는 암흑 물질을 설명할 수 있는, '동기 부여된' 후보들을 가지고 있죠. 제가 말하는 '동기 부여된' 이란 무슨 의미일까요? 그것은 우리가 완전히 다른 현상을 설명하기 위해 실제적으로 도입된, 수학적으로 일관된 이론들을 가지고 있다는 의미입니다. 제가 한번도 이야기한 적 없었지만 각각의 이론들은 새로운 입자들 사이에 매우 약한 반응이 존재한다는 것을 예측합니다.

즉 이것이 정확히 여러분이 물리학에서 바라는 것입니다. 다른 무언가를 위해 실제적으로 개발된 수학적으로 일관된 이론에서 도출되는 예측이죠. 그러나 우리는 그것들 중 어느것이 암흑물질의 후보인지는 정확히 모릅니다. 하나? 아니면 둘 다요? 아니면 전혀 다른 걸 수도 있죠. 현재 우리는 이 암흑 물질입자를 찾고 있습니다. 왜냐하면 결국 그것들은 여기 이 공간 안에 있기 때문입니다. 그리고 그것들은 문을 통해 들어오지 않죠. 그것들은 뭐든지 통과합니다. 그것들은 빌딩을 통과하고 지구를 통과합니다. 그것들은 극단적으로 반응을 하지 않습니다.

그래서 그것들을 찾는 한가지 방법은 들어오는 암흑물질입자에 무척 민감하며 충돌할 수 있는 검출기를 만드는 것입니다. 그리하여 만약 충돌이 발생할 경우 결정이 울리게 됩니다. 그래서 제 동료중 한 사람과 그의 동료가 그런 검출기를 만들었습니다. 그리고 그들이 미네소타의 철 광산 깊숙한 곳에 갖다놓았습니다. 네. 땅 깊은 곳에요. 그리고 최근 며칠사이에 지금까지 가장 민감한 결과가 있었다는것을 알려왔습니다. 그들은 아무것도 보지 못했습니다. 하지만 암흑 물질 입자의 질량과 상호작용의 세기가 어느 정도인가에 대한 선을 그을 수 있었죠. 올해 말에 위성 망원경 발사 계획이 있습니다. 그리고 암흑물질을 관측하는데 필요한 감마선을 암흑물질이 생성하거나 소멸시키는 것을 볼 수 있는가 알아보기 위해 은하 중심부를 관측할 계획입니다. 우리는 거대 강입자 입자 가속기(LHC)를 연말부터 가동할 예정입니다. 암흑물질 입자가 거대 강입자 가속기(LHC)에서 생성될 수도 있습니다.

암흑물질은 거의 반응하지 않기 때문에 사실상 검출기에서 검출되지 않고 빠져나가기 때문에 에너지가 비는 부분이 암흑물질의 신호가 됩니다. 불행히도 현재 에너지가 검출되지 않는 특성을 가진 수많은 새로운 물리학 이론들이 있기 때문에 그 차이점을 설명하기가 매우 어렵습니다. 마지막으로, 앞으로 계속해서 노력하기 위해 특별히 암흑물질과 암흑에너지에 대한 의문을 처리하기 위해 설계된 지상 망원경들을 제작하였습니다. 그리고 암흑물질과 암흑에너지를 조사하기 위해 쏘아올려질 세 개의 우주 망원경이 지금 현재 경쟁하고 있습니다. 그래서, 커다란 질문의 관점에서 보면, 암흑물질이란 대체 뭐고 암흑에너지란건 또 무엇인가. 물리학은 이 커다란 질문에 봉착해 있습니다. 그리고 여러분 또한 묻고 싶은게 많을거라 생각합니다. 저는 이제 다음 72시간 후의 강연을 매우 기대하고 있겠습니다. 감사합니다. (박수)