우주는 무엇으로 이루어져 있을까?

우리가 보는 우주는 빙산의 일각일 뿐이에요

밤하늘을 올려다보면 반짝이는 수많은 별이 보입니다. 여기에 지구, 태양, 행성들, 그리고 우주를 떠도는 거대한 가스 구름과 우리 몸을 이루는 원자까지 모두 합치면 우주 전체의 얼마나 될까요? 놀랍게도 우리가 눈이나 망원경으로 볼 수 있는 모든 물질을 합쳐도 우주 전체의 약 5%밖에 되지 않아요. 만약 우주라는 거대한 케이크를 20조각으로 똑같이 나눈다면, 별과 은하, 그리고 우리가 아는 모든 물질은 단 한 조각에 불과한 셈입니다.

그렇다면 나머지 19조각, 즉 우주의 약 95%는 대체 무엇으로 채워져 있을까요? 눈에도 보이지 않고 만질 수도 없지만, 우주에는 분명히 무언가가 가득 차 있습니다. 과학자들은 이 정체불명의 두 주인공에게 '암흑물질'과 '암흑에너지'라는 이름을 붙였어요.

은하를 꽉 붙잡고 있는 투명한 손, 암흑물질(약 27%)

우주의 두 번째 재료는 우주 전체의 약 27%를 차지하는 '암흑물질'이에요. 암흑물질은 빛을 내지도 않고 빛을 반사하지도 않아서 어떤 망원경으로도 직접 볼 수 없습니다. 그런데 보이지 않는 물질이 있다는 걸 어떻게 알았을까요?

1970년대 미국의 천문학자 베라 루빈은 안드로메다은하를 비롯한 여러 나선은하가 회전하는 속도를 정밀하게 관측했어요. 회전목마가 너무 빨리 돌면 바깥쪽에 탄 사람이 튕겨 나가듯, 은하 바깥쪽의 별들도 눈에 보이는 물질의 중력만으로는 너무 빨라서 우주 공간으로 흩어져야 했습니다. 하지만 별들은 튕겨 나가지 않고 은하에 단단히 묶여 돌고 있었어요.

베라 루빈의 관측은 은하 주변에 눈에 보이는 물질보다 최소 5배 이상 무거운 '보이지 않는 물질'이 중력으로 별들을 꽉 붙잡고 있다는 사실을 증명했습니다. 또 아인슈타인의 이론대로 무거운 물질이 주변 공간을 휘게 만들어 뒤쪽의 별빛을 구부리는 '중력렌즈' 현상을 관측해서, 보이지 않는 암흑물질이 어디에 얼마나 모여 있는지도 지도로 그릴 수 있게 되었어요.

우주를 점점 더 빠르게 밀어내는 힘, 암흑에너지(약 68%)

우주에서 가장 큰 비중을 차지하는 세 번째 재료는 우주 전체의 약 68%를 채우고 있는 '암흑에너지'입니다. 물질을 서로 끌어당기는 중력과 반대로, 암흑에너지는 우주 공간 자체를 서로 밀어내며 팽창시키는 성질을 가지고 있어요.

1990년대 후반까지도 과학자들은 우주가 빅뱅 이후 팽창하고는 있지만, 은하들이 서로 끌어당기는 중력 때문에 팽창 속도가 점점 느려질 것이라고 생각했습니다. 마치 하늘로 던진 공이 점점 느려지는 것처럼요. 이를 확인하기 위해 솔 펄머터, 브라이언 슈미트, 애덤 리스 같은 과학자들이 아주 멀리 있는 초신성(폭발하는 별)의 밝기를 관측했습니다.

그런데 1998년 발표된 결과는 전 세계 과학계를 발칵 뒤집어 놓았어요. 우주의 팽창이 느려지기는커녕, 약 50억 년 전부터 우주가 팽창하는 속도가 오히려 점점 더 빨라지고 있었던 거예요. 과학자들은 중력을 이기고 우주를 가속 팽창시키는 이 알 수 없는 에너지에 암흑에너지라는 이름을 붙였습니다.

보이지 않는 우주의 조리법을 어떻게 알아냈을까?

보통 물질 약 5%, 암흑물질 약 27%, 암흑에너지 약 68%라는 이 정확한 비율은 어떻게 계산해 낸 걸까요? 결정적인 단서는 우주가 탄생한 빅뱅 직후에 퍼져 나온 태초의 빛, 즉 '우주 배경 복사'에 숨어 있었습니다.

유럽우주국(ESA)이 쏘아 올린 '플랑크 우주망원경'은 2009년부터 2013년까지 우주 전체에 남아 있는 이 희미한 태초의 빛을 아주 정밀하게 촬영했어요. 어린 시절의 사진을 보면 그 사람이 어떻게 자랐는지 알 수 있듯, 초기 우주의 미세한 온도 차이를 분석하면 우주에 보통 물질과 암흑물질, 암흑에너지가 각각 얼마나 들어 있는지 계산할 수 있습니다. 플랑크 우주망원경의 관측 결과와 초신성 관측 등이 정확히 맞아떨어지면서 오늘날 우리가 아는 우주의 성분표가 완성되었어요.

한 줄로 정리하면

우주는 우리가 아는 별과 원자로 이루어진 보통 물질 약 5%, 은하를 중력으로 묶어 주는 암흑물질 약 27%, 우주를 점점 더 빠르게 팽창시키는 암흑에너지 약 68%로 이루어져 있으며, 나머지 95%의 진짜 정체는 미래의 과학자들이 풀어야 할 가장 큰 숙제로 남아 있어요.