올해 노벨물리학상은 3명의 천문학자에게 돌아갔다. 우주가 시간이 지남에 따라 점점 더 빠른 속도로 팽창하고 있음을 발견한 공로가 인정됐던 것이다. 우주가 팽창하고 있다는 사실은 이미 1929년 에드윈 허블이 발견했다. 은하의 스펙트럼을 분석하던 그는 우리로부터 먼 은하일수록 더 빠른 속도로 멀어져 가고 있다고 밝혔다. 은하의 후퇴속도가 거리에 비례한다는 ‘허블 법칙’의 발견은 인류 역사상 가장 위대한 발견 중 하나다. 이 발견 이후, 우주의 팽창이 지속될 것인지 어느 시점에 멈추고 다시 수축할 것인지 하는 우주 미래에 관한 문제가 대두되기 시작했다.

김호일 한국천문연구원 광학천문본부장

이번에 노벨물리학상을 수상한 연구자들은 우주의 미래가 어떻게 될 것인지 알기 위해 팽창 속도가 어떤 역사를 겪어 왔는지 알아보고자 했다. 그들이 선택한 방법은 초신성의 거리와 밝기를 측정하는 것이었다. 두 별이 중력적으로 묶여 서로 공전하는 별을 쌍성이라고 하는데 엘에이(la)형 초신성은 한 별이 백색왜성인 쌍성이다. 백색왜성은 별 진화의 마지막 단계로 질량이 일정하며 밀도가 매우 높고 핵융합이 멈춘 상태의 천체다. 백색왜성과 짝을 이루고 있는 별에서 백색왜성으로 흘러들어온 물질이 쌓이게 되면 내부온도가 올라가 열핵반응이 시작돼 막대한 에너지가 일시에 방출된다. 초신성 폭발이라고 부르는 현상이다. 백색왜성의 열핵반응은 쌓인 물질이 일정량이 돼야 나타난다. 물질은 곧 에너지고 백색왜성의 질량이 일정하며 그 위에 쌓인 물질의 양도 같으므로 la형 초신성이 폭발할 때 방출하는 에너지 양은 어느 초신성이나 동일하다. 즉, 초신성의 최대밝기는 일정한데 이때 밝기는 평상시의 수억 배에 이른다. 은하의 밝기에 견줄 수 있을 정도다. 초신성이 수십억 광년 떨어진 아주 먼 은하에서도 발견되는 까닭이다.

같은 밝기의 촛불도 가까이에 있으면 밝고 멀리 있으면 어둡다. 거꾸로 말하면 얼마나 밝게 보이는지 측정하면 얼마나 먼지 알 수 있다. 최대밝기가 일정한 초신성의 경우가 그렇다. 그래서 천문학자들은 초신성을 표준광원이라고 부른다. 우리 은하에 비교적 가까이 있는 은하에서 발견되는 초신성의 밝기와 거리를 구해 본 결과, 정확히 거리의 제곱에 비례해 어둡게 보였다. 그렇다면 아주 멀리 떨어져 있는 초신성은 어떨까. 이번 노벨상 수상자의 연구에 의하면, 아주 먼 은하에서 발견되는 초신성은 은하의 후퇴속도로 정한 거리로 예측한 밝기보다 어두운데 거리가 멀면 멀수록 예측한 것보다 더 많이 어두웠다. 초신성의 밝기는 일정하기에 예측한 거리보다 더 먼 곳에 있다는 뜻이다. 그렇다면 우주의 팽창은 일정한 속도를 갖는 것이 아니라 가속되고 있다는 뜻이다. 이것은 우주가 다시 수축해 빅뱅이 일어나던 당시로 다시 돌아가지 않을 것임을 의미한다.

일반적으로 물질은 중력을 가지고 있고 따라서 팽창하던 우주도 결국 은하의 중력에 의해 다시 수축하는 것이 타당해 보이는데 어째서 가속 팽창하는 것일까. 그래서 도입하게 된 것이 암흑에너지다. 암흑에너지는 보통의 물질과 달리 서로 밀쳐내는 척력을 가진다. 빅뱅 이후 한동안 중력이 중요한 힘이었으나 점차로 척력이 지배하게 됐다는 것이다. 1998년 초신성 관측으로 우주의 가속팽창이 알려지면서 도입된 암흑에너지는 2003년 우주배경복사 관측으로 그 존재가 입증됐다. 계산에 의하면 우주에는 가시광선을 비롯한 전자기파를 통해 관측 가능한 물질은 4%에 불과하며 직접 관측은 불가능하지만 중력을 통해 알 수 있는 암흑물질이 23%, 암흑에너지가 73%를 차지하고 있다. 하지만 우리는 아직 암흑에너지와 암흑물질의 실체에 대해 아는 바가 없다. 확실한 것은 또 다른 노벨상의 주인공이 풀어낼 과제라는 점이다.

김호일 한국천문연구원 광학천문본부장