김대성 교수

우주를 구성하는 총 에너지와 물질 중 우리가 눈으로 보거나 관측할 수 있는 일반 물질(원자, 별, 행성, 가스 등)은 약 5%에 불과합니다. 나머지 약 95%는 보이지 않는 미지의 영역인 암흑물질(Dark Matter, 약 27%)과 암흑에너지(Dark Energy, 약 68%)로 채워져 있습니다.

이 둘은 이름에 '암흑(Dark)'이라는 단어를 공유하지만, 물리적 성질과 우주에서 하는 역할은 정반대입니다.

암흑물질 (Dark Matter)은  빛(전자기파)을 흡수, 방출, 반사하지 않아 관측 기기로 직접 볼 수는 없지만, 질량을 가지고 중력 작용을 하는 물질입니다. 주요역학은 질량을 통해 중력을 행사하므로 은하와 은하단을 하나로 묶어두는 중력적 접착제 역할을 하며, 임흑물질이 만든 거대한 중력 우물 속으로 일반 물질이 모여들어 별과 은하가 형성될 수 있었습니다.

이 암흑물질의 증거는 대표적으로 

• 은하 회전 속도 곡선: 은하 외곽부의 별들이 중심부와 거의 동일한 속도로 빠르게 회전하는 현상(눈에 보이는 질량만으로는 설명 불가).

• 중력렌즈 효과: 은하단 뒤편의 빛이 휘어지는 정도를 측정했을 때, 관측 가능한 천체의 질량보다 훨씬 더 강력한 중력원이 존재함이 확인됨.

• 우주 거대 구조: 우주망(Cosmic Web) 형태로 은하들이 그물처럼 배치된 구조.

가 있습니다.

암흑에너지 (Dark Energy)는 우주 공간 전체에 균일하게 퍼져 있는 미지의 에너지 형태로, 중력과 반대로 작용하는 밀어내는 힘(척력)을 만들어냅니다. 주요 역할로는 물질 간의 중력을 압도하여 우주 공간이 시간이 지날수록 점점 더 빠르게 팽창하도록 만들며, 공간이 팽창해도 밀도가 희석되지 않고 일정하게 유지되는 특성을 보입니다.

 이 암흑에너지의 존재 증거로는 

• Ia형 초신성 관측 (1998년): 먼 우주의 초신성 밝기와 거리를 정밀 측정한 결과, 우주의 팽창 속도가 감속하는 것이 아니라 가속 팽창하고 있음을 발견.

• 우주 마이크로파 배경 복사(CMB): 플랑크 위성 등의 정밀 관측을 통해 우주의 전체 에너지 밀도와 기하학적 평탄성을 계산하여 도출.

등이 있으며, 우주의 구성 비율로 볼 때 암흑물질이 약 27%, 암흑에너지가 68%로,

우리가 아는 우주는 겨우 5% 정도만 파악하고 있을 뿐입니다.

우리나라에서는  기초과학연구원(IBS)과 한국천문연구원(KASI) 등을 중심으로 세계적인 수준의 실험 및 이론 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 우주선(Cosmic Rays)과 지상 배경 방사선의 간섭을 차단하기 위한 심층 지하 실험실 구축부터 입자 검출, 천문학적 관측 모델링까지 다각도로 접근하고 있습니다.

1. 심층 지하 연구 거점: 예미랩(Yemilab)

• 배경 차단: 강원도 정선군 지하 약 1,000m에 구축된 고심도 지하실험시설로, 이전 양양 양수발전소 지하 실험실(Y2L, 지하 700m)의 뒤를 잇는 핵심 연구 거점입니다.

• 목적: 암흑물질 입자가 물질 속 원자핵과 충돌할 때 발생하는 극미한 신호를 포착하기 위해 우주선 배경 노이즈를 100만분의 1 이하로 차단합니다.

2. 윔프(WIMP) 탐색: 코사인(COSINE) 실험

• 초고순도 결정 검출기: IBS 지하실험연구단을 중심으로 고순도 요오드화나트륨(NaI) 결정을 이용해 무거운 암흑물질 후보인 윔프(WIMP)의 직접 검출을 시도하고 있습니다.

• 국제 학계의 오랜 난제 검증: 1998년 이탈리아 DAMA 연구팀이 주장했던 암흑물질 신호를 동일한 조건에서 정밀 검증(COSINE-100)하여 해당 신호가 암흑물질에 의한 것이 아님을 입증하는 등 국제 입자물리학계에서 독보적인 성과를 거두었습니다. 현재는 검출 감도를 대폭 높인 COSINE-200 단계로 확장 중입니다.

3. 액시온(Axion) 탐색 연구

• 강자기장 공진기 기술: 또 다른 유력 후보인 초경량 입자 액시온을 탐색하기 위해 IBS 액시온 및 극한상호작용 연구단이 연구를 주도하고 있습니다.

• 원리 및 성과: 강한 자기장 내부에서 액시온이 광자(마이크로파)로 변환되는 현상을 유도하며, 초전도 자석과 극한 저온 공진기 기술을 결합해 기존에 탐색하지 못했던 고주파·고질량 영역의 검출 한계를 지속해서 확장하고 있습니다.

4. 천체물리 및 인공지능(AI) 기반 암흑물질 지도화

• 시뮬레이션과 딥러닝 접목: 한국천문연구원(KASI)에서는 대규모 우주 거대 구조 시뮬레이션 데이터와 실제 관측된 은하들의 공간 운동 정보를 AI 딥러닝 모델에 학습시켜, 우리은하 주변 1억 광년 내 암흑물질의 3차원 밀도 분포와 은하 간 연결 구조(우주망 필라멘트)를 정밀하게 재구성하는 연구를 수행하고 있습니다.

국내 지하 실험시설인 예미랩에서 진행 중인 암흑물질 탐색 연구 시설의 구조와 원리를 시각적으로 살펴보려면 [핫클립] 예미랩 - 암흑 물질을 찾기 위한 연구시설 영상을 참고하시기 바랍니다. 지하 1,000m 심도에서 노이즈를 차단하고 윔프를 검출하는 시설의 구체적인 모습을 직관적으로 이해하는 데 도움이 됩니다.

이렇게 활발하게 전개하고 있는 우주 전체의 95%를 담고 있는 암흑물질과 암흑에너지 연구 동향과 함께,

우리가 알고 있는 5%의 우주가 얼마나 크고 방대한지 기사화 해 볼 생각입니다.

김대성 기자