우주의 구성 요소와 암흑 에너지

핵심 정리

우주의 구성 요소를 이해할 때는 보통 물질, 암흑 물질, 암흑 에너지를 구분해야 한다. 보통 물질은 별과 은하를 이루며 전자기파를 방출하거나 흡수하므로 전자기파를 이용해 관측할 수 있다. 항성을 이루는 질량의 대부분은 보통 물질이다. 암흑 물질은 보통 물질과 구별되는 물질 성분이며, 우주의 물질을 말할 때에는 보통 물질과 암흑 물질을 합한다. 현재 우주에서는 암흑 물질이 보통 물질보다 큰 비율을 차지한다.

암흑 물질은 전자기파를 방출하지 않아 직접 관측하기 어렵지만, 중력 렌즈 현상처럼 빛의 경로에 미치는 중력 효과를 이용해 존재를 추정할 수 있다. 암흑 물질은 주로 양성자가 아닌 정체가 밝혀지지 않은 비중입자로 이루어졌다고 추정된다. 암흑 에너지는 전자기파로 직접 관측되지 않는 구성 요소이며, 우주의 가속 팽창을 일으키는 요소다.

우주가 팽창하면 보통 물질과 암흑 물질의 총량은 일정하게 유지되지만 물질 밀도는 감소한다. 암흑 에너지 밀도는 우주 팽창에도 일정하게 유지되며, 따라서 물질에 대한 암흑 에너지의 비율은 커진다. 우주가 팽창하면 암흑 에너지의 비율은 증가하고 물질의 비율은 감소한다. 우주 팽창은 처음에는 감속하다가 약 수십억 년 전부터 가속으로 바뀌었다.

자세히

구성 요소는 관측할 수 있는 방법과 각 성분의 역할을 함께 살펴 구별한다. 보통 물질은 별, 행성, 은하를 이루는 물질이다. 별을 이루는 질량의 대부분은 보통 물질이지만, 이것이 우주 전체의 구성 요소 가운데 보통 물질이 가장 많다는 뜻은 아니다. 우주 전체의 물질에는 보통 물질뿐 아니라 암흑 물질도 포함된다. 현재 우주에서 암흑 물질은 보통 물질보다 큰 비율을 차지하고, 암흑 에너지는 물질 전체보다 큰 비율을 차지한다. 따라서 별에서 관측되는 물질의 성질을 우주 전체의 구성 비율에 그대로 적용해서는 안 된다. 보통 물질과 암흑 물질을 합쳐 ‘물질’이라고 부르는 표현도 익혀 두어야 한다. 이때 암흑 에너지는 물질에 포함되지 않는 별도의 구성 요소다.

보통 물질은 전자기파를 내거나 흡수하므로 빛을 포함한 전자기파를 통해 관측할 수 있다. 반대로 암흑 물질은 전자기파를 방출하지 않아 빛으로 직접 확인하기 어렵다. 그렇다고 암흑 물질의 존재를 전혀 알아낼 수 없는 것은 아니다. 질량을 가진 물질은 중력을 미치며, 그 중력은 주변 천체의 운동이나 빛의 진행에 영향을 준다. 중력 렌즈 현상은 질량이 있는 천체 주변에서 빛의 경로가 휘어지는 현상이다. 관측된 빛의 휘어짐을 살펴보면 빛을 내는 물질만으로 설명하기 어려운 중력 효과가 드러날 수 있고, 이를 근거로 보이지 않는 암흑 물질의 존재를 추정한다. 핵심은 암흑 물질을 전자기파로 직접 본 것이 아니라, 중력 효과를 관측해 그 존재를 추론한다는 점이다. 암흑 물질은 보통 물질과 같은 뜻이 아니며, 양성자로 이루어진 보통 물질이나 중성자로 이루어진 물질이라고 단정하지 않는다. 기출에서는 암흑 물질을 보통 물질의 일부처럼 취급하거나 전자기파로 직접 관측할 수 있다고 보는 오류를 구별해야 한다.

암흑 에너지도 전자기파로 직접 관측되지 않는다. 그러나 암흑 물질과 암흑 에너지는 역할이 다르다. 암흑 물질은 물질의 한 성분이고, 암흑 에너지는 우주 팽창을 가속시키는 구성 요소다. ‘암흑’이라는 이름만으로 두 성분을 같은 것으로 생각하면 안 된다. 특히 우주 팽창의 가속을 일으키는 것은 암흑 물질이 아니라 암흑 에너지다. 현재 우주에서 암흑 에너지의 비율은 물질의 비율보다 크며, 팽창의 가속 여부를 물질의 밀도가 크고 작다는 사실 하나만으로 판단하지 않는다. 각각의 성분이 우주의 팽창에 어떻게 작용하는지를 구분해야 한다.

우주가 팽창할 때 물질 성분과 암흑 에너지 성분은 밀도 변화가 다르다. 보통 물질과 암흑 물질은 우주의 부피가 커지는 동안 더 넓은 공간에 퍼지므로 밀도가 낮아진다. 물질의 총량이 일정하게 유지되는 것과 물질 밀도가 감소하는 것은 동시에 성립한다. 부피가 커져도 총량이 그대로라면 단위 부피에 들어 있는 양은 작아지기 때문이다. 암흑 에너지는 공간의 고유한 성질과 관련된 성분으로, 팽창해도 밀도가 일정하게 유지된다. 우주의 구성 비율을 비교할 때는 각 성분의 총량, 밀도, 전체에서 차지하는 비율을 구별해야 한다.