진공 재앙의 크기와 암흑에너지

1998년에 천문학계에는 세상이 뒤집힐 만한 큰 사건이 일어났습니다. 두 천문학 연구팀이 독자적으로 우주의 팽창 속도가 점점 빨라지고 있다는 것을 발견한 것입니다. 이는 과학자들이 예상하던 것과 정반대였습니다.

진공 재앙의 크기와 암흑에너지

별들이 바깥쪽으로 작용하는 빛의 압력과 안쪽으로 작용하는 중력에 의한 압력으로 균형을 이루고 있는 것처럼 우주도 팽창시키는 힘과 질량들 사이에 작용하는 중력으로 균형을 이루고 있습니다. 1998년까지는 우주를 탄생시킨 빅뱅으로 인한 팽창력이 점차 줄어들어 중력이 우주를 지배하다 보면서 우주의 팽창 속도가 줄어들고 있을 것이라고 생각했습니다.

1. 표준 촛대

1920 년대에 에드윈 허블 Fawin Hubble 은 더 멀리 있는 은하일수록 더 빠른 속도로 멀어진다는 것을 발견하면서 우주가 팽창하고 있다는 것을 알아냈습니다. 그는 주기적으로 밝기가 변하는 '세페이드' 변광성을 이용해서 은하까지의 거리를 측정했습니다. 이 변광성의 밝기가 변하는 주기는 고유한 밝기에 따라 달라집니다.

그러나 우리가 관측하는 변광성의 밝기는 변광성까지의 거리에 따라 달라집니다. 주기를 이용해 측정한 변광성의 고유한 밝기와 실제 측정한 밝기의 차이를 이용하게 되면 변광성까지의 거리를 알 수 있습니다. 그러기 때문에 세페이드 변광성은 우주에서 거리를 측정하는 '표준 촛대'로 사용할 수 있습니다. 하지만 멀리 있는 은하까지의 거리를 측정할 때는 세페이드 변광성이 표준 촛대가 될 수 없습니다.

멀리 있는 은하에 포함된 세페이드 변광성은 너무 희미하여 주기와 밝기를 측정하기가 아주 어렵기 때문입니다.

1990년대에 두 개의 천문학 연구팀은 우주 역사에서 이른 시기의 팽창 속도를 알아내기 위해 Ia형 초신성이라 부르는 새로운 표준 촛대를 이용해서 더 멀리 있는 은하의 속도를 측정하기 시작했습니다.

이러한 모양의 초신성은 백색왜성에 기원을 두고 있습니다. 백색왜성에는 찬드라세카르의 한계 (56쪽 참조)라는 질량의 한계가 있습니다. 동반성으로부터 물질을 흡수한 경우 혹은 두 백색왜성의 충돌을 통해 백색왜성의 질량이 이 한계에 도달하게 되면 폭발을 일으킨다.

이 초신성은 비슷한 질량을 갖고 폭발하므로 고유한 밝기가 모두 비슷합니다. 따라서 이러한 초신성의 겉보기 밝기를 측정하게 되면 초신성까지의 정확한 거리를 알 수 있습니다.

2. 암흑에너지

두 연구팀은 더 멀리 있는 더 오래된 은하의 후퇴속도를 결정하기 위한 관측을 반복하여 실시했습니다. 이전에 예상했던 것처럼 우주의 팽창 속도가 줄어들고 있으면 멀리 있는 은하는 가까이 있는 은하들보다 더 빠른 속도로 멀어지고 있어야 했습니다. 그러나 관측 결과는 예상했던 것과 반대였습니다.

가까이 있는 젊은 은하들이 멀리 있는 은하들보다 더 빨리 멀어지고 있었습니다. 그것은 우주의 팽창 속도가 빨라지고 있음을 의미했습니다. 무엇이 팽창을 저지하려는 은하 사이의 중력을 이기고 은하들을 밀어내고 있을까요? 우리는 아직 그 답을 알지 못합니다. 그러나 이 신비스러운 에너지는 암흑에너지라는 이름으로 불리고 있습니다.

관측 결과에 의하면, 암흑에너지는 우주 전체의 질량과 에너지를 합한 양의 68% 이상을 차지하고 있습니다. 암흑에너지의 후보로 거론되는 것이 진공 에너지다. 진공은 실제로빈 공간이 아니다(23쪽과 163쪽 참조). 진공에서도 가상적인 입자 쌍이 만들어졌다가 사라지고 있습니다.

양자 이론에 의하면, 진공에 존재하는 에너지는 반발력으로 작용한다. 또한 이 에너지는 중력에 의한 에너지와 달리 은하 사이의 거리가 멀어져도 약해지지 않습니다. 그러기 때문에 은하 사이의 거리가 멀어짐에 따라 점점 약해지는 중력이 일정한 세기를 유지하는 진공 에너지에 의한 반발력보다 작아지는 시점이 있습니다. 이 시점부터 은하는 더 빠른 속도로 멀어지기 시작할 것입니다.

그러나 여기에도 문제점이 있습니다. 진공에 포함된 에너지의 양과 가속팽창에 필요한 에너지의 양이 잘 맞지 않는 것입니다. 이 두 양 사이의 차이가 적어도 10 20배나 됩니다. 이것은 물리학에서 나타난 이론과 실험 결과의 차이 중에서 가장 큰 값입니다. 따라서 이것을 '진공 재앙'이라고 부른다.

또한 다른 설명은 찬드라세카르의 한계에 오류가 있어서 우리의 측정결과가 우주를 제대로 나타내지 못하고 있다는 것입니다. 또한 다른 사람들은 우주 크기와 같이 거대한 규모에서는 중력이 다르게 작용한다고 주장합니다. 따라서 암흑에너지는 우리 우주의 3분의 2를 구성하고 있지만, 암흑에너지에 관한 한 우리는 아직도 암흑 속에 있습니다.

차원과 시공간

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