암흑 물질, 진짜 있을까(성영은)

성영은(서울대학교 화학생물공학부 교수)

최근 우주 암흑 물질의 고해상도 지도가 발표되었다는 뉴스가 보도되었다.¹⁾ 이 뉴스는 1월 26일 자로 저명한 학술지인 「네이처 애스트로노미」(Nature Astronomy)에 실린 한 논문을 소개한 것이다. 한 번도 관측되지 않은 가상의 미스터리 물질인 암흑 물질의 고해상도 지도라니…? 물론 암흑 물질 지도는 이전에도 발표된 바 있었지만, 이번에는 ‘고해상도’라는 수식어를 붙여 마치 그 존재가 더욱 확실해진 것 같은 인상을 준다.

현재까지 과학계가 밝혀낸 바에 따르면, 이 세상을 구성하는 물질은 100여 종의 원자로 이루어져 있다. 실제로 우주의 대부분은 수소(약 75%)와 헬륨(약 25%)으로 이루어져 있다. 이 원자들은 원자핵과 전자로 구성되어 있으며, 이를 더 쪼개면 소립자라는 매우 작은 입자들로 나뉜다. 여기에 더해 질량이 0인, 세상에서 가장 가벼운 입자이자 동시에 파동인 빛이 있다. 빛은 가장 가볍고 가장 빨라 우리가 이 세상의 물질을 이해하는 데 핵심적인 역할을 한다. 우리는 빛을 통해 물질을 보고 이해하며, 멀고 먼 천체들도 그곳에서 출발해 우리에게 도달한 빛을 통해 우리가 그 존재를 인식한다.

그런데 우주를 연구하다 보니 빛으로 관측할 수 있는 물질만으로는 설명되지 않는 현상들이 존재함을 알게 되었다. 지구나 태양계 수준에서는 아무 문제가 없어 보이는 중력 법칙이, 우리은하나 그보다 더 큰 규모의 은하들에서는 맞지 않는 현상들이 발견된 것이다. 이 세상에 존재하는 모든 물질은 서로를 끌어당기며, 천체들 역시 마찬가지다. 이를 중력이라 하며, 이 힘은 뉴턴의 만유인력 법칙으로 정확히 설명된다. 이 법칙은 매우 정밀하여, 이를 이용해 천체의 공전 궤도와 같은 운동을 정확히 계산할 수 있고, 우주 탐사선을 원하는 위치로 보내는 것 또한 가능하다. 별들의 집합체인 은하 속의 별들도 이 만유인력 법칙에 따라 은하 중심을 공전한다. 만유인력 법칙으로부터 증명되는 케플러의 법칙에 따르면, 은하 중심에서 멀어질수록 별들의 회전 속도는 느려져야 한다. 중심에 가까워 중력이 강하면 빠르게 회전하고, 멀어져 중력이 약해지면 느리게 회전해야 한다는 것이다.

본 이미지는 이해를 돕기 위한 자료 이미지 입니다.

그러나 실제로 관측된 은하 속 별들의 회전은 이 법칙과 일치하지 않는다. 중력의 영향이 상대적으로 약한 외곽의 별들이 느리게 회전하지 않고, 중심부의 별들과 거의 비슷한 속도로 회전하고 있는 것이다. 이는 외곽의 별들을 강하게 끌어당기는 어떤 추가적 중력이 존재하지 않으면 설명할 수 없는 현상이다. 하지만 가시광선, 적외선, X선 등 어떠한 종류의 빛으로도 그러한 물질의 존재는 확인되지 않는다. 그래서 정체를 알 수 없는 물질이라는 의미에서 ‘암흑(dark) 물질’이라는 이름이 붙었다. 이 물질은 빛을 흡수하거나 방출하지 않기 때문에, 적어도 원자로 이루어진 물질은 아님이 분명하다.

관측 결과를 토대로 계산해 보면, 이 암흑 물질은 눈에 보이는 물질보다 적어도 5배 이상 더 많아야 한다. 그 결과 우주를 이루는 전체 물질의 약 85%가 암흑 물질이라는 주장이 제기되었다. 우리가 눈으로 보는, 원자로 이루어진 세계는 전체 물질의 15%에 불과하다는 것이다. 그렇다면 이 암흑 물질은 무엇으로 이루어져 있는가? 아직 모른다. 태양계에도 암흑 물질이 존재할 것이라는 확신 속에서 현재 지하 실험실 등에서 암흑 물질을 직접 탐지하려는 연구가 계속되고 있지만, 아직은 전혀 발견되지 않았다. 이론적으로는 윔프(WIMP, weakly interacting massive particle, ‘약하게 상호작용하는 질량을 가진 입자’)라 불리는, 소립자보다 더 작은 입자가 암흑 물질의 가장 유력한 후보로 제시되고 있다. 중성미자처럼 빛으로 관측되지 않던 입자의 존재가 확인된 사례도 있는 만큼, 이에 대해서는 좀 더 지켜볼 필요가 있다.

이번에 발표된 고해상도 지도 역시 암흑 물질의 존재를 간접적으로 확인한 결과이다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 따르면, 빛은 무거운 천체를 지날 때 휘어진다. 정확히 말하면 중력이 공간을 휘게 만들고, 그 결과 빛이 휘어 보이는 것이다. 이로 인해 천체 뒤에서 오는 빛이 굴절되어 우리 눈에 들어오게 되는데, 이는 마치 돋보기의 볼록렌즈와 같은 현상이다. 그래서 이를 중력 렌즈 효과라고 하며, 우주에서는 이 효과로 인해 은하 뒤에 가려져 있는 천체들이 다수 관측된다. 그런데 관측되는 중력 렌즈 효과가, 빛을 가리는 천체의 질량으로 계산한 중력보다 훨씬 크게 나타나는 경우가 많다. 이를 암흑 물질의 존재로 설명하는 것이다. 이러한 관측들을 종합해 우주에 분포한 암흑 물질의 지도를 그린 것이다.

과학은 이처럼 끊임없이 세상의 신비를 향해 나아간다. 가설과 이론을 세우고, 이를 관측과 실험을 통해 검증하는 과정을 반복하면서 말이다. 물론 암흑 물질의 존재 자체가 틀린 가설일 가능성도 있다. 그러나 은하의 회전 곡선이나 중력 렌즈 효과와 같은 관측 결과는 분명한 사실이다. 그렇다면 우리는 이를 어떻게 설명해야 할까? 만약 이 세상이 원자가 아닌 다른 물질로 이루어져 있다면, 그것은 무엇일까? 빛으로도 관측할 수 없다면, 우리는 무엇을 통해 그것을 이해할 수 있을까? 하나님이 만드신 세상은, 우리가 결코 다 알 수 없는 깊고도 깊은 신비로 가득 차 있는 것은 아닐까?

1) 곽노필, “‘보이지 않는 우주 그물망’ 암흑 물질 고해상도 지도 나왔다”, 「한겨레신문」, 2026. 1. 30.