§1너무 빨리 도는 은하들

태양계에서 바깥쪽 행성일수록 천천히 공전합니다. 해왕성은 수성보다 훨씬 느리죠. 질량 대부분이 중심(태양)에 몰려 있기 때문에, 케플러 법칙대로 멀어질수록 공전 속도가 1/√r로 줄어듭니다. 나선은하도 빛의 대부분이 중심 팽대부에 몰려 있으니, 바깥쪽 별들은 마땅히 느려져야 합니다.

그런데 1970년대 천문학자 베라 루빈이 은하 바깥쪽 별들의 실제 속도를 재어 보니, 느려지기는커녕 중심에서 멀어져도 거의 일정한 빠르기를 유지하고 있었습니다. 눈에 보이는 별만으로는 이렇게 빠른 별을 붙잡아 둘 중력이 나오지 않습니다. 별들은 은하 밖으로 튕겨 나가야 마땅한데 그러지 않았죠. 무언가 보이지 않는 질량이 은하를 훨씬 넓게 감싸고 있어야만 설명되는 결과였습니다.

§2보이지 않아도 무게는 있다

암흑물질은 빛을 내지도, 흡수하지도, 반사하지도 않습니다. 어떤 파장으로도 직접 보이지 않죠. 하지만 질량이 있으면 중력이 있고, 중력은 숨길 수 없습니다. 그 존재를 드러내는 가장 극적인 증거가 중력렌즈입니다. 무거운 물체는 주변 시공간을 휘게 하므로, 그 뒤에서 오는 먼 은하의 빛이 렌즈를 통과하듯 휘어 우리에게 옵니다. 빛이 휘는 정도를 재면 그 앞에 얼마만 한 질량이 있는지 계산할 수 있는데, 보이는 별과 가스만으로는 어림도 없는 질량이 나옵니다.

결정적 장면은 2006년의 총알 은하단(Bullet Cluster)입니다. 두 은하단이 충돌하면서, 서로 부딪혀 뒤처진 뜨거운 가스(눈에 보이는 보통 물질의 대부분)와, 충돌에도 아랑곳없이 그대로 지나쳐 간 질량 중심이 공간적으로 어긋나 있었습니다. 중력렌즈로 잰 "무게 중심"은 가스가 아니라 서로를 통과한 무언가에 있었죠 — 거의 부딪히지 않고 지나가는 암흑물질의 성질을 그대로 보여 주는 관측입니다.

§3대안, 그리고 우주의 구성표

"중력 법칙 자체를 조금 고치면 보이지 않는 물질 없이도 설명되지 않을까?"라는 대안도 있습니다. 작은 가속도에서 뉴턴 중력을 수정하는 MOND가 대표적으로, 개별 은하의 회전곡선은 꽤 잘 맞춥니다. 하지만 총알 은하단처럼 질량과 빛이 어긋난 현상이나 우주배경복사의 미세 구조, 은하단 규모의 관측을 두루 설명하는 데는 어려움이 있어, 오늘날 주류는 암흑물질 가설입니다. 다만 암흑물질 입자를 직접 검출한 실험은 아직 없어, 그 정체는 여전히 열린 문제입니다.

여러 관측을 종합하면 우주의 물질·에너지 구성은 놀랍습니다. 우리가 아는 원자로 된 보통 물질은 약 5%에 불과하고, 암흑물질이 약 27%, 그리고 팽창을 가속시키는 암흑에너지가 약 68%를 차지합니다. 별과 은하로 빛나는 세계는 우주라는 빙산의 아주 작은 물끝일 뿐입니다.