brunch

매거진 우리가 사는 세상 우주

라이킷 13 댓글

You can make anything
by writing

C.S.Lewis

계정을 잊어버리셨나요?

by NEW LIFE 뉴라이프 Jul 16. 2023

존재하고 있는데 과학적으로 관측할 수 없는 것

Darkmatter

이번에는 '이 세상에 존재하는 것은 과학적으로 증명된 것들만 존재하는 것인가, 아니면 '과학적으로 증명되지 않은 것들도 많이 존재한다'는 명제에 대해 알아봅니다.

명상이란 자기 내면에 의식을 집중하여 자아를 지우고 외부 세계와 융합하여 모든 것을 아는 초자아로 승화시키는 방법이라는 것은 많은 명상법에서 공통적으로 이야기하는 부분입니다. 이번에도 이 세상의 '진리'에 대해 알고, 생각하고, 상상하고, 명상해 봅시다.

행성궤도의 법칙을 이끌어낸 케플러

우리가 살고 있는 지구와 태양계를 생각해 보면, 아시다시피 태양을 중심으로 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성, 명왕성 등 천체들이 공전하고 있습니다. 이 공전 주기(태양 주위를 도는 주기)에는 일정한 법칙이 있는데, 이를 케플러의 법칙이라고 합니다(*1).

케플러의 삼각법칙(타원궤도의 법칙), 세컨드의 법칙(면적속도 일정의 법칙), 카네기의 법칙(행성 공전주기의 세제곱은 궤도 길이 반경의 세제곱에 비례한다)으로 태양계 행성의 움직임에 대한 이해가 크게 진전되었습니다. 이 법칙이 케플러에 의해 세상에 발표된 것은 1609년(*2)으로 지금으로부터 400여 년 전의 일이며, 당시의 귀중한 문헌의 일부를 그림으로 인용합니다. 일본에서는 에도시대 초기부터 우주에 대한 탐구가 이렇게까지 진행되었다는 사실에 놀라지 않을 수 없습니다.

태양계 행성의 공전 주기와 법칙

이러한 법칙을 응용하여 태양계 행성・준행성의 궤도와 주기는 거의 정확하게 관측할 수 있게 되었습니다. 실제로 공전 주기를 측정하면 지구가 공전하는 시간(지구 1바퀴를 공전하는 시, 지구 1바퀴는 1년) 동안 각 행성이 얼마나 이동하는지를 알 수 있습니다. 지구 1년에 수성은 약 4.2 바퀴, 금성은 약 1.6 바퀴, 화성은 약 0.5 바퀴, 목성은 30도(1/12바퀴), 토성은 12도(1/30바퀴), 천왕성은 4도(1/90바퀴), 해왕성은 2도(1/180바퀴), 명왕성은 1.5도(1/240바퀴)를 움직입니다(그림 참조). 이 그림을 보면 "안쪽 행성일수록 각(공전) 속도가 빠르고, 바깥쪽 행성일수록 각속도가 느리다"는 법칙을 알 수 있습니다.

이는 행성에 대해 바깥쪽으로 작용하는 힘(원심력)과 행성에 대해 안쪽으로 작용하는 힘(중력/인력)이 균형을 이루기 위해서라고 할 수 있습니다. 수성처럼 태양에 가까울수록 중력(거리의 제곱에 반비례)의 영향을 강하게 받기 때문에 빠르게 공전하지 않으면 원심력이 균형을 이루지 못하고, 반대로 해왕성이나 명왕성처럼 바깥쪽 천체는 태양의 중력이 약해 공전 속도가 너무 빠르면 태양계 밖으로 튕겨 나가게 됩니다.

이처럼 각 천체의 질량/중력이나 위치 관계를 알면 공전주기를 구할 수 있고, 반대로 공전주기와 궤도 천체의 질량에서 중심부(코어)의 질량이나 중력을 구할 수 있습니다.

머리털자리 은하단의 질량을 계산한 스위스 과학자

시대는 1900년대로 넘어가고, 스위스의 프리츠 츠비키(Fritz Zwicky)라는 천문학자가 있는데, 이 박사는 대질량의 별이 폭발하는 '초신성(Supernova)*4'에 대한 연구의 권위자였습니다. 이 천문학자는 연구의 일환으로 '머리털자리 은하단(Coma Cluster)'이라는 은하 집단에 대해 연구하고 있었습니다. 각 은하의 광도와 운동을 관측하여 은하단의 질량을 알아내려는 것입니다(*5).

그림은 머리털자리 은하단(*6)에 대한 관측 이미지를 보여주고 있는데, 왼쪽은 1937년 Zwicky의 관측도, 오른쪽은 현대의 관측 데이터를 가공하여 얻은 이미지입니다. 주의할 점은 이 점이나 빛의 입자 하나하나가 별이 아니라 은하라는 점입니다. 관측하고 있는 은하단은 3.2억 광년 떨어진 곳에 존재하기 때문에 촬영 범위도 엄청나게 넓습니다. 이 점 하나하나가 지름이 10만 광년인 우리 은하수와 동급이라고 상상해 보면 얼마나 광활한 영역을 관측하고 있는지 알 수 있습니다.

이 시기에는 측정 방법도 어느 정도 정립되어, 그 천체의 밝기(광도)로 '태양 몇 개 분량'과 같이 질량을 구하는 방법(*7)(태양계 행성을 모두 합쳐도 태양의 1/1000 정도라는 식으로 은하계의 질량은 거의 별의 수로 대략적으로 계산할 수 있다)이 알려져 있었습니다. 또한, 츠비키 씨도 사용한 운동 역학적으로 해답을 도출하는 빌리알 정리(*8)와 같은 방법도 확립되어 있었습니다.

계산을 해보니 충격적인 결과였다

츠비키 씨는 당시 관측 데이터에서 각 은하의 지름, 중심점으로부터의 거리와 회전속도, 운동에너지, 중력 상수, 은하단의 중심과 주변부 운동, 3차원 회전 모델, 포텐셜 에너지 등 당시 알려진 모든 요소들을 빠짐없이 체크해 계산 결과를 도출했습니다. 그림은 그 계산 과정의 일부를 보여주고 있지만, 실제 연구 논문에서는 위의 방정식을 통해 해답을 도출하고 있습니다. 관심이 있는 분들은 방정식을 풀어보셔도 좋겠지만, 결론만 보고 싶으신 분들은 아래 빨간 테두리만 보시면 되겠습니다.

이러한 계산 결과, 예상을 뒤엎는 답이 나왔습니다. 그림의 빨간색 테두리에서 보듯이, 머리털자리 은하단 전체의 질량을 각 은하의 광도로 계산하면 '태양 질량의 8.5×10^7배'가 되는 반면, 운동 역학적 계산법(회전속도와 중력으로 질량을 구하는 방법)으로는 '태양 질량의 4.5×10^10배=4500×10^7배'라는 전혀 다른 결과가 나온 것입니다.

그 차이는 무려 500배 이상(!) 입니다. 물론 츠비키 씨는 천문학자이고 여러 번 과정을 검증한 후 계산한 결과이며, '초신성'과 같은 대질량 천체 전문가였기 때문에 그런 존재도 모두 계산에 포함되었을 것입니다. 하지만 은하의 운동으로 볼 때 이 많은 은하단이 고속으로 운동해도 흩어지지 않고 끌어당기는 '거대한 중력'이 존재한다고 생각할 수밖에 없습니다. 하지만 당시의 고정밀 망원경으로도 광학적으로 거대한 질량의 원인이 되는 것은 전혀 관측되지 않습니다. 이때 이 '정체불명의 질량이나 중력의 원인'을 '암흑물질'이라고 불렀습니다.

보이지 않는 '무언가'를 더욱 뒷받침하는 연구

이후 1970년, 미국의 여성 천문학자 베라 루빈 박사(*9)는 안드로메다 은하에 대한 기이한 연구 데이터를 발표합니다. 안드로메다 은하(*10)는 지구에서 약 250만 광년 떨어져 있지만, 밤하늘의 시야가 좋으면 육안으로도 볼 수 있는 은하입니다. 지름은 약 22만 광년으로 우리 은하수(지름 약 10만 광년)와 비교하면 지름이 두 배 이상 큰 거대 은하입니다.

루빈은 이 안드로메다 은하를 관측하여 그 회전 속도와 질량을 구했습니다(*11). 그런데 또다시 예상과 다른 결과가 나왔습니다. 그림에서 보시는 바와 같이 태양계의 공전 속도 목록에서 보듯이, 보통은 "안쪽 천체일수록 빠르게 공전하고, 바깥쪽 천체일수록 느리게 공전"해야 합니다. 하지만 루빈 교수팀의 관측 데이터에서는 그림 왼쪽과 같이 "안드로메다 은하 바깥쪽의 별들도 안쪽의 별들과 크게 다르지 않은 속도로 공전하고 있다"는 결과를 얻었습니다.

또한 '운동으로 계산된 은하 질량'/'광도로 계산된 은하 질량'의 비율을 구한 결과, 역시 '운동 역학적 질량' "가 "광학적 질량"보다 10배 이상 크다는 결과가 나왔습니다(그림 오른쪽 표 빨간색 테두리). 앞서의 츠비키의 연구 결과와 마찬가지로 이번 루빈의 연구에서도 '은하가 고속으로 회전해도 별을 끌어당길 수 있는 큰 중력을 가진 무언가'가 존재한다는 것을 암시했습니다. (그림).

중력의 정체는 블랙홀도 아니었다

최근에는 2019년 일본 연구팀이 수수께끼 질량의 정체에 대해 "미세한 원시 블랙홀"일 가능성을 검증했지만, 이 설도 "블랙홀의 가능성은 부정적"이라는 결론에 도달한 것 같습니다(*12). 결과는 "관측된 블랙홀의 수가 예상보다 매우 적었다"는 것과 "관측된 블랙홀은 수수께끼의 질량의 0.1% 정도에 불과하다"는 것이었습니다.

어디에도 보이지 않는다 일정 범위를 넘어 큰 질량을 가진 별은 내부의 핵융합 반응에 의해 태양처럼 스스로 빛을 발산하는 '항성'이 됩니다(*13). 이러한 태양과 같은 항성에 비하면 지구나 목성과 같은 행성의 질량은 미미한 수준이며, '항성의 질량의 총합을 추측할 수 있다면 그 (보이는) 천체의 질량의 총합을 추측할 수 있다'는 생각은 틀린 말이 아닙니다.

그리고 항성은 가시광선, 적외선, 자외선, 감마선 등 어떤 전자기파를 항상 방출하고 있습니다. 따라서 그런 천체가 있다면 수십억 광년 떨어진 모든 파장의 전자기파를 감지할 수 있는 대형 천체망원경으로 어떤 신호를 포착할 수 있을 것입니다. 하지만 이상하게도 천체망원경이나 인공위성에서도 그런 천체나 물질은 아직 관측되지 않고 있습니다.

정체를 알 수 없는 물질(?) : 암흑물질

이처럼 '전혀 보이지 않고 시각적으로 포착할 수 없다'는 관점에서 이 정체불명의 질량을 '암흑물질(dark matter)'이라고 부릅니다. '어둡다/어둠'이라고 해도 선악의 개념이 아니라 '보이지 않는/정체불명'이라는 뜻으로 이렇게 불리고 있습니다. 정체를 알 수 없는 거대한 질량이라고 하면 블랙홀을 떠올리게 되지만, 앞서 언급했듯이 블랙홀처럼 공간을 뒤틀어 놓을 만큼 큰 질량의 가능성은 현재로서는 부정적입니다.

"보이지 않는다"는 것은 "빛을 내지 않는다/빛을 반사하지 않는다/빛을 차단하지 않는다", 즉 "빛이나 전자기파와 상호작용을 하지 않는다"라는 성질을 의미합니다. 그러나 "은하의 운동을 보면 질량이 겉보기 질량의 10배~500배 정도 크다"는 지금까지의 연구 결과에서 "확실히 무언가가 존재한다는 것은 틀림없다"고 말할 수 있습니다. "확실히 무언가가 존재한다는 것은 확실합니다. 어쩌면 안드로메다 은하도 과학적으로 관측된 사진(그림 왼쪽)이 아니라, 모든 것을 볼 수 있다면 실제 모습은 그림 오른쪽과 같은 다양한 모습일지도 모릅니다.

'보이는 것이 전부'라고 생각하지 않기

우리는 평소 눈으로 보는 것을 믿고, 과학적으로 증명된 것을 믿고 살아갑니다. 하지만 츠비키 박사나 루빈 박사 등이 보여주었듯이 "분명히 존재할 것 같지만 과학적으로 모습을 포착할 수 없는 것이 있다"는 것이 "과학적으로 증명된 것"이라고 할 수 있습니다. 물론 항상 "새로운 발견"은 "지금까지 과학적으로 증명되지 않았던 것에 대한 증명"의 연속입니다. 일류 과학자들에게 누군가가 "그런 건 과학적이지 않다"라고 말해도 "그래서 뭐야? 그래서 탐구하는 것이겠지"라고 전혀 반박하지 않을 것입니다.

우리가 보고 있는 안드로메다 은하계는 실제의 1/10 이하일 수도 있고, 우리 은하단도 실제의 1/500밖에 보이지 않을 수도 있다. 물론 우리가 살고 있는 일상적인 세계도 마찬가지이며, 만약 물질로 인식할 수 없는 세계(형이상학적 세계)가 보인다면 전혀 다른 광경일 수도 있습니다. 평소 우리가 인식하고 있는 세계가 얼마나 좁은 영역인지 인식하고, 명상을 통해 우주의 참모습을 이해하고 진리에 다가갑시다.

저자: Takuma Nomiya l 번역: Sim Min Aa

Profile

Takuma Nomiya 의사・의학박사

임상의사로서 20년 이상 다양한 질병과 환자를 접하며 신체적 문제와 동시에 정신적 문제도 다루고 있다. 기초연구와 임상연구로 다수의 영문 연구 논문을 집필. 그 성과는 해외에서도 인정받아 직접 학술 논문을 집필할 뿐만 아니라 해외 의학 학술지로부터 연구 논문의 피어리뷰 의뢰를 받기도 한다. 증거중심주의에 치우치지 않기 위해 미개척 연구 분야에도 관심을 기울이고 있다. 의료의 미래를 계속 탐구하고 있다.

인용문

출처: NewLife Magazine_명상, 뇌, 행복 호르몬… 의학 시선의 진짜 이야기

存在しているはずなのに科学的に観測できないもの｜NEW LIFE

今回は、“この世に存在するものは科学的に証明されたものだけ”なのか、それとも“科学で証明できてないものが数多く存在する”のか、この命題について紐解いていきます。瞑想とは自

note.com

*1. 케플러의 법칙-Wikipedia. https://ko.wikipedia.org/wiki/케플러의 법칙

*2. Johannes Kepler, Astronomia nova (1609), pp. 165–167.

*3. Fritz Zwicky−Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Fritz_Zwicky

*4. 초신성-천문학사전. https://astro-dic.jp/supernova/

*5. Zwicky F. NEBULAE. The Astrophysical j. 86.3.p217, 1937

*6. 머리털자리 은하단-Wikipedia.https://ko.wikipedia.org/wiki/

*7. Kuiper GP. The Empirical Mass-Luminosity Relation. The Astrophysical J, 88,p.472, 1938

*8. 비리얼 정리-Wikipedia. https://ko.wikipedia.org/wiki/비리얼 정리

*9. 베라 루빈-Wikipedia. https://ja.wikipedia.org/wiki/ヴェラ - 루빈

*10. 안드로메다 은하-Wikipedia. https://ko.wikipedia.org/wiki/안드로메다 은하

11. Rubin V and Ford WK Jr. ROTATION OF THE ANDROMEDA NEBULA FROM A SPECTROSCOPIC SURVEY OF EMISSION REGIONS. The Astrophysical J, 159,p379, 1970

*12. Niikura H, et al. Microlensing constraints on primordial black holes with the Subaru/HSC Andromeda observation. Nature Astronomy 3, p524–534 (2019)

*13. 별-위키백과(https://ja.wikipedia.org/wiki/恒星 항성)