안녕하세요, 메이저맵 에디터 가을🍁입니다!

몇 주 전, 9월 7일 밤부터 8일 새벽까지 개기월식을 관측하는 분들 많으셨죠? 개기 월식이면서 달이 붉게 물드는 '블러드 문'을 관측할 수 있어 새벽 3시라는 늦은 시간에도 많은 분들이 관측하시더라고요. 또, 최근에는 화성에서 생명체가 있다는 강력한 흔적이 발견되었다는 뉴스도 있었죠.

인류는 먼 옛날부터 우주에 관심이 많았지만, 사실 우리가 알고 있는 것은 정말 우주의 한 귀퉁이뿐이라고 합니다. 그래도 우리는 계속 우주에 대해 호기심을 가지고 관찰하고, 연구하고, 진출하기 위해 많은 노력을 하고 있죠. 실제로 우주와 관련된 책은 물리학 주제 중 과학 분야뿐 아니라 문학까지 아우르며, 가장 다양한 분야에서 사랑받고 있는 것 같아요.

그래서 오늘은 포괄적으로 '우주에 대해 알아보자!',보다는 조금 더 구체적으로 우주에서 아직 밝혀지지 않은 미스터리 물질에 대해 이야기해 보려고 해요. 바로 우주의 약 95%를 차지하지만, 아무도 그 정체를 모르는 '암흑물질'과 '암흑에너지'에 대한 이야기랍니다. 🚀

이 거대한 수수께끼를 푸는 과정이 여러분의 미래 전공과 어떻게 이어질 수 있는지도 함께 알려드릴게요!

제임스 피블스: 현대 우주론을 정립하다

암흑물질에 대해 이야기하면, 제임스 피블스라는 위대한 과학자를 먼저 만나게 됩니다. 제임스 피블스가 처음 우주론 연구를 시작했을 1960년대에는 사람들은 "우주 이론? 그거 막다른 길이야, 연구할 것도 없어"라고 말했다고 합니다. 그러나 그는 포기하지 않고 수 십 년을 받쳐 연구한 끝에 현대 우주론에서 암흑에너지의 존재와 역할을 이해하는 데 중요한 이론적 기초를 제공한 학자로 기억됩니다.

2019년 노벨물리학상 수상자 일러스트

그의 헌신적인 연구 덕분에 우리는 암흑물질이라는 개념을 받아들일 수 있게 되었고, 놀라운 사실을 알게 되었습니다.

바로 우리가 보고 만질 수 있는 모든 것, 즉 별, 행성, 그리고 우리 자신과 같은 물질은 우주 전체의 단 5%에 불과하다는 사실!

그럼 도대체 나머지 95%는 대체 뭘까요? 피블스는 이 미지의 존재를 '암흑물질(Dark Matter)'과 '암흑에너지(Dark Energy)'라고 이름 붙이며, 우주 탐사의 새로운 지도를 그렸습니다.

대체 암흑물질이 뭐예요?

피블스가 그린 연구에 따르면 우주를 구성하는 미지의 95% 중 약 25%를 차지하는 것이 바로 '암흑물질'이라고 합니다.

단순하게 '어둡고 새까만 물질'이어서가 아니라 '미지의 물질'이라고 암흑물질이라고 이름을 붙인 거라고 합니다. 물론 빛을 내지도, 반사하지도 않아서 우리 눈에는 보이지 않아요. (공기와 비슷한 느낌이라고 이해하면 됩니다!)

하지만 분명히 질량(무게)을 가지고 있어서 중력으로 주변의 모든 것을 끌어당기는 신비한 물질이에요.

지금까지 밝혀진 바로는 암흑물질은 은하들이 회전하면서도 흩어지지 않도록 꽉 붙잡아주는 '보이지 않는 우주 접착제' 같은 역할을 한다고 합니다. 암흑물질이 없다면 은하들은 지금과 같은 형태를 유지하지 못하고 산산이 흩어졌을 거라고 합니다.

그러니까 암흑물질이 하는 역할의 핵심은 결국 '중력(서로를 끌어당기는 힘)'이라는 것을 꼭 기억해 주세요. (반전 있음!)

암흑에너지의 등장

암흑물질의 등장에 다른 과학자들은 다음과 같은 가설을 세웠습니다.

"우주에는 물질(5%)과 암흑물질(25%)이 내는 중력이 이렇게나 강하니까,

우주가 팽창하는 속도는 당연히 점점 느려지겠지?"

마치 우리가 하늘 위로 공을 던지면 중력 때문에 속도가 점점 느려지다가 떨어지는 것처럼요. 당기는 힘, 즉 에너지는 우주의 중심을 향할 거고, 그러면 밖으로 커지려는 에너지는 중심에서 멀어질수록 약해질 수 밖에 없을 테니까요.

그런데 1998년, 두 개의 다른 연구팀이 동시에 이와 정반대의 현상을 발견하게 되었습니다.

바로 우주의 팽창 속도가 느려지는 게 아니라, 오히려 점점 더 빨라지고 있는 것이었죠!

비유하자면 하늘에 던진 공이 땅으로 떨어지기는커녕, 갑자기 로켓처럼 더 빠른 속도로 하늘로 솟구쳐 올라가는 것과 같은 충격적인 장면을 목격했어요.

이건 지금까지의 물리이론으로는 설명할 수 없는 현상이었어요. 물질과 암흑물질이 끌어당기는 중력을 이기고, 오히려 우주를 더 강하게 밀어내는 미지의 힘이 존재한다는 뜻이었으니까요.

과학자들은 이 거대한 미지의 에너지에게 '암흑에너지(Dark Energy)'라는 이름을 붙여주었답니다. 이 위대한 발견을 한 사울 펄머터, 브라이언 슈미트, 애덤 리스는 2011년 노벨 물리학상을 받게 되었죠.

2011년 노벨 물리학상 수상자

어려운 개념이지만, 한 마디로 줄여보자면 암흑에너지의 에너지는 바로 '척력(서로를 밀어내는 힘)'입니다. 중력으로 뭉치게 하는 암흑물질과는 정반대의 역할을 하는 셈이죠.

2025년에 새로운 단서 발견!

암흑에너지는 그 이름처럼 20년이 넘도록 정체가 베일에 싸여 있었어요. 좀처럼 연구에 진척이 없었죠.

그런데 최근 한국천문연구원이 참여한 국제 공동 연구팀(DESI)이 아주 중요한 단서를 찾아냈어요. 바로 암흑에너지의 힘(밀도)이 과거에 비해 조금씩 약해지고 있는 것 같다는 사실이었습니다. 즉, 우주 팽창을 가속시키는 속도가 이전에 비해 약해졌다는 뜻이죠.

한겨레 기사 출처. DESI 제공 사진. 3차원 우주 지도.

이 발견에 대해 2011년 노벨상 수상자인 애덤 리스 교수는 "25년 전 암흑에너지를 발견한 이래 그 본질에 대해 얻은 가장 강력한 단서"라고 말하며 흥분을 감추지 못했답니다. 과학은 이렇게 계속해서 새로운 질문을 던지며 앞으로 나아가고 있어요.

암흑물질 & 암흑에너지에 대해 연구하고 싶다면?

요즘 이렇게 새롭게 발견되는 우주의 비밀이 흥미진진하기 때문인지, 우주에 관심을 가지는 청소년이 부쩍 많아졌습니다. 이토록 어마어마한 우주의 미스터리를 푸는 일, 과연 어떤 사람들이 할 수 있을지, 어떤 공부를 하면 될지 전공을 소개해 드릴게요.

🔭 총괄 감독 & 시나리오 작가 (물리학과, 천문학과)

이들은 우주의 근본 원리를 탐구하는 사람들이에요. 제임스 피블스처럼 우주의 전체적인 이론을 만들거나, 2011년 노벨상 수상자들처럼 기존의 상식을 뒤엎는 관측 결과를 해석하죠.
연구분야 예시: 초신성, 은하, 우주배경복사 등 우주에서 오는 희미한 빛을 분석해 우주의 나이와 팽창 속도를 계산하는 등의 연구를 진행해요. 아인슈타인의 일반상대성이론을 넘어서는 새로운 암흑에너지 이론 모델을 만들고, 관측 결과와 비교하며 어떤 이론이 맞는지 검증하는 연구를 할 수 있어요.
이런 학생에게 추천해요! '왜?'라는 근본적인 질문을 던지는 것을 좋아하고, 눈에 보이지 않는 현상의 원리를 파헤치는 것에 희열을 느끼는 학생. 복잡한 수식과 이론으로 세상의 법칙을 설명하는 것에 매력을 느끼는 탐구형 학생에게 잘 맞아요.

💻 데이터 분석팀 & 암호 해독가 (수학과, 컴퓨터공학과)

최신 우주 관측 프로젝트는 하루에도 엄청난 양의 데이터를 쏟아내요. 이 데이터 속에 숨겨진 암흑에너지의 비밀을 찾아내는 역할이 바로 이들의 몫이에요.
연구분야 예시: 수억 개 은하의 3차원 지도를 만드는 거대 관측 데이터에서 의미 있는 패턴을 찾아내는 알고리즘을 개발해요. 우주가 어떻게 진화해왔는지 보여주는 복잡한 시뮬레이션을 슈퍼컴퓨터로 실행하고, 실제 관측 데이터와 비교해서 암흑에너지의 성질을 추정하는 연구를 할 수 있어요.
이런 학생에게 추천해요! 거대한 숫자나 복잡한 코드 속에서 숨겨진 규칙이나 패턴을 찾아내는 것을 즐기는 학생. 논리적인 사고를 바탕으로 문제를 해결하고, 효율적인 시스템을 만드는 것에 흥미를 느끼는 문제 해결형 학생에게 딱이에요.

🔧 최첨단 장비 제작팀 (신소재공학과, 기계공학과, 전자공학과)

아무리 뛰어난 이론과 알고리즘이 있어도, 우주의 비밀을 포착할 눈(망원경)과 손발(탐사선)이 없다면 무용지물이겠죠? 이들은 인류의 감각을 우주 스케일로 확장시키는 장비를 만들어요.
연구분야 예시: 극한의 우주 환경(진공, 극저온)을 견디면서도 아주 희미한 빛까지 감지할 수 있는 초고감도 센서용 신소재를 개발해요. 거대한 망원경의 거울을 나노미터(10억 분의 1미터) 단위로 정밀하게 제어하는 시스템을 설계하거나, 우주 탐사선에 들어갈 초소형 로봇과 통신 장비를 만드는 연구를 할 수 있어요.
이런 학생에게 추천해요! 상상한 것을 직접 손으로 만들거나 설계하는 것을 좋아하는 학생. 세상에 없는 새로운 물질을 만들거나, 정교한 기계를 조립하고 작동시키는 것에 재미를 느끼는 창조형 학생에게 추천해요.

오늘은 우주 최대의 미스터리, 암흑물질과 암흑에너지에 대해 간단하게 알아보았습니다. 그리고 이들을 연구하려면 어떤 학과로 진학하면 좋은지 추천까지 해드렸습니다. 관련 학과가 있는 학교를 검색할 때는 메이저맵에서 검색해 보시는 걸 추천드립니다!

최근 우주 연구의 성과가 한국에서도 나오고 있는 것을 보면 참 뿌듯한데요. 여러분도 제임스 피블스와 같이 우주 분야에서 한 획을 긋는 사람이 될 수 있지 않을까요? 😉

그럼 저는 다음에 더 재미있는 이야기로 돌아올게요! 안녕! 👋