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인류가 망원경으로 본 모든 장관 가운데
나선형 은하보다 더 사랑스러운 것은 거의 없습니다.
장엄한 별들의 소용돌이는 안정적이고 예측 가능한 춤을 추며 회전하고 있죠.
망원경을 통해 수십억 개의 그런 은하를 본다는 사실은
그런 것들이 꽤 많기도 하고 안정적이라는 것을 말해줍니다.
이런 우주 바람개비의 내부 작동 원리를 아는 것이 그리 어렵지 않다는 것은 꽤 놀랍지요.
17세기 후반 아이작 뉴튼 경이 알아낸 물리적 법칙과
우리 은하계 내부에서 관찰된 전체 질량에 대한 정보를 종합하여
과학자들은 이런 은하계가 회전하는 속도를 계산해낼 수 있습니다.
이런 기법을 사용하여 천문학자들은 은하계의 중심으로부터 각자 다른 거리를 가지고 떨어져 있는 별들이 얼마나 빠르게 회전하는지 예측합니다.
중심부에 매우 가까운 별들은 느리게 움직이죠.
그건 별을 잡아당기는 은하계의 중심과 별 사이에는 질량이 거의 없기 때문이에요.
중심으로 부터 조금 더 먼 별들은 빠르게 움직입니다.
그것은 별들이 중앙부와 별 사이에 있는 다른 모든 별들에 의해 끌어 당겨지기 때문입니다.
정말 멀리 가면, 별들은 다시 느려질 것으로 예측됩니다.
광대한 거리로 인해 중력은 가볍게 잡아당기는 정도로 줄어들어
별들은 자신의 궤도를 느긋하게 움직입니다.
이런 사실을 아는 과학자들은 은하들을 보고 별들이 얼마나 빨리 움직이는지 측정해봤죠.
은하계의 중심쪽에 가까운 별들은 예측대로 움직였지만
놀랍게도 멀리 있는 별들은 너무 빨리 움직인다는 사실이 밝혀졌습니다.
이런 관찰 결과로 중력과 운동에 관한 고전 이론에는 커다란 문제가 생겼죠.
별들이 측정한 대로 빨리 움직이고 있다면
은하계는 서로 떨어져 나가야 했습니다.
그건 위기였고, 천문학자들과 물리학자들이 자신들의 계산에서 실수를 찾아내려고 모였습니다.
뉴튼의 중력이론이 틀렸을까요?
아니면 운동 이론이 잘못된 걸까요?
아니면, 천문학자들이 은하계의 질량을 잘못 측정했을 가능성은요?
모든 가능성이 검토되었고 그 모든 것들이 아니라고 판명되었죠. 단 한가지만 빼고요.
오늘날 과학자들은 그 답이 이제까지 알려져 있지 않던 종류의 물질, 암흑 물질이라는 것에 있다고 믿습니다.
이 암흑물질은 대부분의 은하계를 둘러싸고 있는 구름처럼 보일 수 있습니다.
이 물질은 매우 독특한데요. 중력에 영향을 받습니다.
하지만 이것은 가시광선이나 다른 어떤 전자기 방사선으로도 볼 수 없습니다.
"암흑 물질"이라는 이름은 빛을 발산하거나 흡수하지 못하는 이 물질의 특성에 뿌리를 둡니다.
암흑 물질은 은하계의 중력에 더해지고
은하계 중심으로부터 멀리 떨어진 별들의 궤도 속도를 설명합니다.
암흑 물질은 아직 직접 관찰된 적이 없어요.
하지만 과학자들은 이 물질이 실제 존재한다고 믿습니다.
대부분 다른 가능성이 모두 배제되었기 때문이죠.
수십가지 방법을 써서, 천문학자들과 물리학자들은 계속해서
암흑 물질에 대한 가정이 사실이라는 것을 증명할 직접적인 증거를 찾고 있습니다.
이 질문은 21세기 물리학 연구에서 가장 중요한 물음 가운데 하나입니다.