Dark Matters, WIMP

 흑암물질(Wimp)

 최근에 세계 과학계의 최대 관심사인데 암흑물질의 존재를 입증할 만한 확실한
증거를 한국인 과학자가 찾아냈습니다.
 우주공간 곳곳에 퍼져 있으나 지금까지 그 실체가 드러나지 않은 신비의 물질
암흑물질. 우주공간에 연기처럼 존재하는 암흑물질은 우리 탄생과 질소의 비밀을
지니고 있어 현대 물리학과 천문학의 최대 관심사지만 눈에 보이지 않아 이론상의
존재일 뿐이었습니다.

미국 존스홉킨스 대학의 김현국 박사와 나사 연구진은 최근 이 암흑물질의 존재를
입증할 확실한 증거를 찾아냈습니다.

지구에서 약 50억광년 떨어진 은하달의 중심에서 지름 26만광년의 고리 모양을
관측한 겁니다. 이것은 눈에 보이지 않는 엄청난 밀도의 물질이 빛을 마치 물결처럼
밀어내 만든 고리로 암흑물질의 가장 명확한 증거로 인정됐습니다.

지명국 박사는 눈에 보이지 않는 암흑물질의 구조를 관찰함으로써 암흑물질의
움직임을 밝혀낼 수 있을 것으로 전망했습니다.
이 연구는 세계 주요언론에 크게 보도됐으며 천체물리학저널에 게재될 예정입니다.

 빅뱅우주론은 아주 심오하고 놀라운 의미를 지니고 있다.
우주는 무(無)에서 시작됐으며 그 시작의 시점은 시간.공간,물질의 출발을 뜻한다.
크리스천 과학자라면 빅뱅우주론을 신의 개입이나 섭리에 의해 우주가 창조됐음을
뒷받침하는 과학의 금자탑으로 꼽을 것이다. 이는 알 수 없는 것을 설명하기 위해
무작정 신을 끌어들인 경우와는 근본적으로 차원을 달리하는 검증된 영역이다.
천문학자인 펜지아스와 윌슨은 빅뱅의 불덩어리가 전자기파의 형태로 남은 일종의
메아리인 '태초의 빛'을 포착해 천문학의 가장 권위있는 학술지인 천체물리학
저널에 1965년 게재했다. 이들이 제출한 세 쪽짜리 논문은 무려 13년 동안에 걸쳐
초기 검증이 이루어졌고 최근에는 미항공우주국(NASA)의 인공위성 코비(COBE)의
관측으로 그 존재가 더욱 확실하게 증명되었다.
그리고 1978년 스웨덴 왕립학회는 이들에게 노벨 물리학상을 수여했다.
그들의 공적문에는 이렇게 씌어 있다.
"태초의 빛을 최초로 관측한 공로로..."
신이 창조한 태초의 빛은 더이상은 감출 수 없는 과학적 진실로 자리매김했다.
태초의 빛을 추적하기 위해 시간을 거슬러 올라가면 우주의 시작점 즉 지금으로부터
대략 140억년 전 빅뱅의 순간에 다다르게 된다. 바로 그날,아무런 예고도 없이 신의
특별한 개입에 의해 뜨거운 불덩어리가 갑자기 튀어 나왔다.
이론 물리학자들은 빅뱅 당시 불덩어리의 우주는 10의 30승(1자 뒤에 0이 30개 붙은
숫자)℃로 추정하고 있다. 이 불덩어리는 지금도 팽창하고 있는 우주의 씨앗이다.

천문학자들에 따르면 거기에는 빛과 물질이 뒤엉켜 있었다. 이른바 플라스마 상태로
어둠과 혼돈 그 자체였다. 성서는 과학책이 아니지만 과학을 뛰어넘어 이렇게 기록
하고 있다. "땅이 혼돈하고 공허하며 흑암이 깊음 위에 있고..."(창 1:2) 그리고
불덩어리는 팽창을 계속했고 그에 따라 온도는 점차 식어갔다.
대략 38만년이 흐른 뒤 우주의 온도는 3300℃ 정도로서 태양 표면보다 조금
차가웠을 것으로 추정하고 있다. 바로 이 때 빛과 물질이 분리돼 우주는 어둠과
혼돈 상태에서 거의 투명하게 바뀌었다.

천문학자들은 이 시기를 빛과 물질의 '분리 시기'라 부른다.
그 전까지는 빛과 물질이 뒤엉켜 있었기 때문에 마치 짙은 안개에 휩싸여 우주를
직접 볼 수 없지만 분리 시기 이후에는 안개가 거치듯 주변의 모습이 점차 드러나게
됐다. 비로소 빛이 출현했고 그것을 통해 우주의 모습을 볼 수 있게 된 것이다.
이것이 '태초의 빛'이다. 성서의 기록은 또다시 정곡을 찌른다.

"하나님이 가라사대 빛이 있으라 하시매 빛이 있었고...하나님이 빛과 어둠을
나누사"(창 1:3∼4)

태초의 빛은 대부분 파장이 1000분의 1㎜(근적외선에 해당)였다.
그런데 140억년에 걸친 우주의 팽창으로 그 파장은 1㎜(마이크로파에 해당)로 엄청
나게 늘어났다. 이 파장의 온도는 -270℃. 절대 온도 0도가 -273℃임을 감안하면
얼마나 차갑게 냉각된 마이크로파인가를 짐작할 수 있다. 그런데 이 빛의 온도는
1930년대에 이미 간접적으로 관측됐었다. 우리 은하의 성간 가스 구름의 온도가
대략 -270℃라는 사실이 밝혀졌기 때문이다.

태초의 빛은 1965년 예상치 못한 연구에서 발견됐다. 펜지아스와 윌슨은 당시 인공
위성을 이용한 국제전화통신에 사용할 마이크로파 안테나를 시험 중이었다.
안테나의 감도는 매우 높아야 했고 이를 위해 모든 전파의 잡음에 대한 발생 원인을
찾아 제거해야 했다. 하지만 온갖 방법을 동원해도 전파의 잡음은 잡히지 않았다.
이때까지만 해도 태초의 빛을 찾으려는 생각은 전혀 없었다.

어느 날 두 천문학자는 빅뱅우주론이 예측한 태초의 빛이 마이크로파 영역에서 관측
될 것이란 사실을 전해들었다. 이 안테나에 포착돼 제거되지 않은 전파 잡음이 바로
우주배경복사 즉 '태초의 빛'이라는 결론에 도달하게 됐다.
그 후 이 빛은 여러 천문학자에 의해 검증을 거듭했다.
이 빛을 확인한 한 천문학자는 흥분을 감추지 못한 나머지 이렇게 소리쳤다.
"신의 손가락이 보인다."

<국내연구 사례>

강원 양양군의 한 산지에서는 현재 대형 양수발전소가 건설되고 있다.
발전소를 짓기 위해 산 중턱에 뚫어 놓은 굴 입구에서 자동차를 타고 1.8㎞를 들어
가자 어두컴컴한 귀퉁이에 철판으로 지어놓은 조그만 건물이 보였다.
이곳에서 수직으로 700m를 올라가야 지표면에 닿는다.
이 건물이 우주의 신비로 불리는 '암흑물질'을 찾기 위해 최근 한국인 과학자가
처음으로 만든 '암흑물질 탐색 실험실' 이다.
이 실험실을 세운 서울대 김선기 교수(물리학부)는 "지난달 말 가장 중요한
크리스털 탐지기가 이곳에 설치돼 이달부터 본격적인 실험에 들어갔다"고 말했다.
김 교수는 2000년 과학기술부의 '창의적 연구과제'에 선정되면서 암흑물질 탐색을
시작했다. 재수, 삼수 끝에 얻은 성과였다.

세종대 김영덕, 연세대 김홍주 교수 등 15명의 과학자가 연구팀에 참여했다.
그는 "남들 다 하는 것은 매력이 없어서 암흑물질 찾기에 뛰어들었다"고 말했다.
실패할 가능성이 훨씬 높은 연구지만 그는 실험실 공간이 지난해 터널 공사 중
우연히 생겼다며 ‘길조’라고 웃었다. 발전소를 짓는 한국중부발전도 김 교수를
적극 도와 줬다.

암흑물질은 전자, 원자등 지금까지 알려져 있던 물질과 전혀 다른 새로운 물질이다.
보이지도 않고, 기존 물질과 거의 반응을 하지 않아 옛날에는 존재조차 몰랐다.
그러나 20세기 후반 들어 암흑물질이 우주 질량의 90%를 차지한다는 사실이
밝혀졌다. 암흑물질이 없었다면 별도, 은하도, 생명도 탄생하지 못했을 것이다.

암흑물질이 실제로 무엇인지는 아직 아무도 모른다. 한때 빛이 없는 갈색 왜성이나
블랙홀 등이 암흑물질의 후보로 거론됐다. 지금은 윔프(WIMP), 가벼운 액시온,
중성미자 등 미세한 입자들이 유력하다. 이 중 김 교수가 찾는 것은 윔프다.

윔프는 '약한 상호작용을 하는 무거운 입자(Week Interactive Massive Particle)'를
뜻한다. 손톱 하나의 넓이에 초당 수십만 개가 날아오는 윔프는 수소 원자보다
100배나 무겁다. 1970년대 윔프의 개념을 창안한 사람이 자동차 사고로 죽은 한국인
물리학자 고 이휘소 박사다.

지하 실험실에 들어서자 김 교수가 윔프를 찾는 핵심 장치라며 30㎝ 길이의 하얀색
막대를 보여줬다. 세슘과 요오드로 만들어진 ‘크리스털’이다. 한 개에 1500만원
이다. 우주에서 날아오는 윔프는 지구를 관통하며 아무 일 없이 지나가지만 아주
드물게 기존 물질과 충돌할 때가 있다. 윔프가 무게가 비슷한 세슘 원자에 충돌하면
녹색 빛이 나오고 이 빛을 검출하면 윔프의 존재를 증명할 수 있다.
하루에 한 번만 나와도 엄청난 성공이다.

김 교수는 "이 기술은 처음 시도되는 것으로 외국의 방식보다 효율이 높다"며
경쟁에서 승리를 기대한다고 말했다. 물론 몇 배 더 많은 연구비를 붓고 있는
10여개의 외국팀이 현재로선 앞서 있는 것이 사실이다. 김 교수는 "2개인 크리스털
을 올해 안에 10개로 늘릴 계획"이라며 "처음에 크리스털을 25개 설치하려고 했지만
예산이 부족하다"며 아쉬워했다.

방해물도 많다. 우주에서 날아오는 방사선과 또 다른 소립자들이다.
이들은 비슷한 반응을 일으키는 '가짜 윔프'다. 연구팀이 지하 깊숙이 실험실을
만든 것도 가짜 윔프를 피하기 위해서다.
그것도 모자라 연구팀은 탐지기를 몇 겹의 차폐재로 둘러싼 작은 방 크기의 금고에
넣는다. 30㎝ 두께의 오일 통, 15㎝ 두께의 납, 5㎝ 두께의 합성수지, 10cm 두께의
구리판이 탐지기를 가짜 윔프에서 보호한다. 금고 무게만 40t이다.

"암흑물질이 발견된다면 우리의 물질관에도 코페르니쿠스적인 혁명이 일어날 것
입니다. 보이지 않는 물질이 없었다면 우주도 우리도 존재할 수 없었을 것입니다.
그 호기심을 풀기 위해 지하 700m의 이곳에서 밤을 새우는 겁니다."
출처 : http://www.dongascience.com(동아사이언스)