지구과학 고3 은하와 우주 심화

암흑 물질과 암흑 에너지

은하 회전 곡선과 중력 렌즈로 추론된 암흑 물질과 우주 가속 팽창의 원인인 암흑 에너지를 이해한다.

암흑 물질은 빛을 내지도 흡수하지도 않지만 중력으로 존재가 드러나는 물질이고, 암흑 에너지는 우주를 가속 팽창시키는 원인으로 추정되는 정체불명의 에너지입니다.

밤에 검은 옷을 입고 그네를 미는 사람은 보이지 않지만, 그네가 흔들리는 것을 보면 누군가 밀고 있음을 압니다. 암흑 물질도 자기 모습이 아니라 '주변에 미치는 중력'으로만 드러납니다.

쉽게 말하면

암흑 물질의 첫 번째 근거는 우리 은하에서 본 회전 곡선입니다. 은하 바깥쪽 별들의 공전 속도는 거리가 멀어져도 거의 줄지 않고 평평하게 유지되는데, 눈에 보이는 별과 가스의 질량만으로는 그렇게 빠른 별을 붙잡아 둘 중력이 나오지 않습니다. 보이지 않는 질량이 은하를 넓게 감싸고 있다고 보아야 설명됩니다.

두 번째 근거는 중력 렌즈입니다. 질량이 큰 천체 주변에서는 빛이 휘어지므로, 먼 은하의 상이 은하단 뒤에서 일그러지거나 여러 개로 보입니다. 이 일그러짐의 정도로 은하단의 질량을 재면, 은하단 안의 별과 기체를 다 더한 것보다 훨씬 큰 값이 나옵니다. 은하단 안 은하들의 운동 속도로부터 질량을 역산해도 같은 결론이 나옵니다.

암흑 에너지는 전혀 다른 관측에서 나왔습니다. 아주 멀리 있는 초신성을 이용해 과거의 팽창 속도를 재어 보니, 팽창이 중력 때문에 느려지고 있는 것이 아니라 오히려 빨라지고 있다는 결과가 나왔습니다. 물질의 중력은 팽창을 붙잡는 방향으로만 작용하므로, 팽창을 밀어붙이는 무언가가 필요합니다. 그것에 붙인 이름이 암흑 에너지입니다.

오늘날 관측을 종합하면 우주의 구성은 대략 암흑 에너지 약 68%, 암흑 물질 약 27%, 우리가 아는 보통 물질(별·기체·행성·사람) 약 5%입니다. 빅뱅 우주론의 뼈대 위에 이 두 성분을 얹은 모형이 현재의 표준 우주 모형입니다. 즉 우리가 아는 물질은 우주의 5%에 불과합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

회전 곡선 — 태양계와 은하의 차이

태양계에서는 바깥 행성일수록 공전 속도가 느립니다(질량이 중심에 몰려 있으므로). 은하에서 바깥 별의 속도가 줄지 않는다는 것은 질량이 눈에 보이는 원반 바깥까지 넓게 퍼져 있다는 뜻이고, 그 퍼진 질량이 암흑 물질 헤일로입니다.
예시 2

중력 렌즈로 질량 재기

은하단 뒤의 먼 은하가 고리나 여러 개의 상으로 일그러져 보입니다. 상이 얼마나 휘었는지로 앞쪽 은하단의 질량을 계산할 수 있는데, 그 값이 빛으로 확인되는 질량보다 훨씬 큽니다. 렌즈는 빛이 아니라 질량에 반응하므로 '보이지 않는 질량'까지 함께 잽니다.
예시 3

가속 팽창 — 먼 초신성이 예상보다 어둡다

같은 적색 이동을 가진 초신성이 감속 팽창 모형에서 예상한 것보다 어둡게(= 더 멀리) 관측되었습니다. 과거보다 지금 팽창이 빨라졌다고 보아야 이 거리 차이가 설명됩니다.

암흑 물질 vs 암흑 에너지

구분	암흑 물질	암흑 에너지
역할	중력으로 물질을 끌어모음	우주 팽창을 가속함
주요 증거	은하 회전 곡선, 중력 렌즈, 은하단의 운동	먼 초신성 관측으로 드러난 가속 팽창
우주 팽창에 대한 효과	팽창을 늦추는 쪽	팽창을 빠르게 하는 쪽
어디에 있나	은하와 은하단 주위에 뭉쳐 분포	공간 전체에 고르게 퍼져 있는 것으로 추정
대략적 비율	약 27%	약 68%

자주 하는 오해

암흑 물질과 암흑 에너지를 같은 것의 두 이름으로 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움이름이 둘 다 '암흑'이니 정체를 모르는 같은 무언가일 것이다

실제로는둘은 정반대로 작용합니다. 암흑 물질은 중력으로 끌어당겨 구조를 만들고, 암흑 에너지는 우주를 밀어내 팽창을 가속합니다.

'암흑'은 '빛으로 보이지 않는다'는 뜻일 뿐 같은 물질이라는 뜻이 아닙니다. 근거가 되는 관측도 완전히 다릅니다 — 암흑 물질은 은하 회전 곡선과 중력 렌즈에서, 암흑 에너지는 먼 초신성의 밝기에서 나옵니다.

암흑 물질을 '블랙홀이나 빛을 못 내는 어두운 별'로 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움암흑 물질은 그냥 우리 망원경으로 못 보는 어두운 보통 물질(블랙홀, 식은 별, 먼지)일 것이다

실제로는암흑 물질은 보통 물질과는 다른 성질을 가진 것으로 봅니다. 빛과 거의 상호작용하지 않아 흡수도, 방출도, 가림도 일으키지 않습니다.

먼지는 뒤의 별빛을 가리고, 식은 별도 적외선을 냅니다. 그런 흔적이 관측되지 않습니다. 결정적으로, 빅뱅 초기에 만들어진 헬륨의 양과 우주 배경 복사의 무늬는 보통 물질(원자로 된 물질)의 총량을 제한하는데, 그 값이 중력으로 요구되는 질량보다 훨씬 작습니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

빅뱅 우주론고3 우리 은하고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 은하와 우주

빅뱅 우주론고3 우리 은하고3 우주 거대 구조고3 우주 배경 복사고3 은하의 종류고3 적색 이동고3 허블 법칙고3 허블 상수와 우주 나이고3 헬륨 풍부도고3 활동 은하(퀘이사·세이퍼트)고3

자주 묻는 질문

Q1암흑 물질은 지금 내 주위에도 있나요?

우리 은하를 넓게 감싸고 있으므로 지구 주변에도 지나가고 있을 것으로 봅니다. 다만 보통 물질과 거의 상호작용하지 않아 우리 몸이나 지구를 그냥 통과하고, 그래서 직접 검출이 매우 어렵습니다.

Q2차라리 중력 법칙이 틀린 것 아닌가요?

실제로 그런 대안도 제안되었습니다. 그러나 은하 회전 곡선, 중력 렌즈, 은하단의 운동, 우주 배경 복사의 무늬, 거대 구조의 형성까지 서로 다른 여러 관측이 하나의 '보이지 않는 질량'으로 일관되게 설명되기 때문에 암흑 물질 모형이 널리 받아들여집니다.

Q3우주는 앞으로 어떻게 되나요?

암흑 에너지가 지금처럼 계속 작용한다면 팽창은 점점 빨라집니다. 다만 암흑 에너지의 정체가 밝혀지지 않았기 때문에 먼 미래를 단정할 수는 없습니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 지구과학 · 은하와 우주 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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