○더 강력해진 '빅뱅 머신'… 태초에 한발 더 다가서다
최종수정 2015-03-24 06:37
‘인류 역사상 가장 큰 과학실험 장비’가 이번 주 재가동된다.
2013년 성능 향상을 위해 가동을 중단했던 유럽원자핵연구소(CERN)의 대형강입자충돌기(Large Hadron Collider·LHC)
얘기다. BBC 등 외신에 따르면 가동 시기는 25일(현지시간) 이후가 될 것으로 보인다.
LHC는 스위스 제네바 근처 지하 100m 깊이에 있다. 길이 27㎞의 원형 터널 속에서 두 개의 양성자 빔을 초전도 자석을
이용해 빛의 속도에 가깝게 가속시킨 뒤 정면 충돌시킨다.
이렇게 하면 우주의 탄생인 빅뱅 직후의 상황과 맞먹는 엄청난 충돌 에너지로 양성자가 깨져 더 작은 소립자들로 부서진다.
LHC가 일명 ‘빅뱅 머신’이라고 불리는 것은 이 때문이다.
CERN의 과학자들은 무엇 때문에 빅뱅 직후의 우주를 재현하려 애쓰는 걸까.
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인류는 오랫동안 ‘이 세상은 무엇으로 만들어졌을까’ 하는 의문을 품고 살아왔다.
우주 삼라만상이 더 이상 쪼갤 수 없는 몇 개의 입자로 구성돼 있고,
이들 사이에 작용하는 힘을 매개하는 입자들이 있다는 ‘표준모형’이다.과학자들은 20세기가 끝날 때까지 이 표준모형을 이루는 입자들을 모두 찾아냈다.
유일하게 찾지 못한 게 각각의 입자들이 질량을 갖는 원리를 설명해주는 힉스 입자였다.
과학자들은 지난 반세기 동안 표준모형을 완성할 마지막 ‘퍼즐 조각’인 힉스 입자를 찾아 헤맸다.
2012년 그 힉스 입자의 ‘유력 후보’를 찾아낸 것이 바로 LHC였다.
앞서 이 입자의 존재를 예견한 피터 힉스와 프랑수아 앙글레르가 이듬해 노벨 물리학상을 받을 수 있었던 것도 LHC
덕분이었다.
유럽핵물리연구소(CERN)의 엔지니어들이 대형강입자충돌기 를 정비하고 있다. [유럽핵물리연구소]
한데도 CERN의 과학자들은 지난 2년간 LHC를 더 강력하게 업그레이드했다.
2012년 힉스 입자 후보를 찾아냈을 당시 충돌 에너지는 8조 전자볼트(eV)였다. 이를 두 배 가까운 13조eV로 올렸다.
빅뱅이 일어나고 약 10억 분의 1초 뒤의 상황을 재현할 수 있는 수준이다. 빔의 강도도 이전보다 세 배 정도 높였다.
충돌에너지가 높으면 새로운 물리적 현상이 일어날 확률이 높아진다.
빔의 강도가 높으면 입자들끼리 충돌 횟수가 많아진다.
이렇게 하는 이유 중 하나는 2012년 발견한 입자가 표준모형이 예측한 ‘바로 그 힉스(the Higgs)’ 입자인지 좀 더 자세히
분석하는 것이다. 가령 표준모형을 확장한 이론을 근거로 일부 학자는 “힉스 입자가 여러 벌 존재할 수도 있다”고 주장하고
있다. 2012년 발견한 입자가 그들 중 하나일 가능성도 배제할 수 없는 것이다. 2년간 업그레이드돼 이번에 재가동되는
LHC(CERN은 ‘LHC 시즌2’라고 부른다)는 이전보다 약 열 배 이상 더 많은 힉스 입자를 만들 수 있게 됐다.
그만큼 빨리 이 문제에 대한 실마리를 얻을 수 있을 것이란 게 과학자들의 추측이다.
과학자들은 또 ‘LHC 시즌2’를 통해 기존 표준모형으로는 설명할 수 없는 완전히 새로운 무언가를 찾아내길
학수고대하고 있다.
표준모형은 현재까지는 성공적인 이론으로 여겨지지만 자연의 원리를 다 설명하지는 못한다.
우선 여러 힘 가운데 우리가 매일 경험하는 중력에 대한 설명이 빠져 있다. 우주를 이루는 에너지의 25%는 아직도
그 정체가 확실히 알려져 있지 않아 암흑물질이라고 불린다. 표준모형은 이 암흑물질도 설명하지 못한다.
힉스 입자의 존재 자체도 모순적이다.
힉스 입자는 양자역학적인 과정을 고려하면 엄청나게 큰 질량을 가져야만 한다.
하지만 LHC에서 측정한 값은 양성자 질량의 약 125배 정도로, 양자역학에 의한 추정치보다 최소 1경 배나 작다.
표준모형은 그 이유도 설명하지 못한다.
‘시즌 2’를 시작하는 LHC가 이전보다 더 큰 기대와 관심을 받고 있는 것은 표준모형을 무너뜨릴 새로운 현상을
발견할지 모른다는 기대감 때문이다.
재가동되는 LHC는 당분간 빔 라인을 따라 양성자를 돌리기만 한다.
본격적인 고에너지 충돌실험은 오는 5월, 데이터 분석은 6월 시작될 예정이다.
중요한 것은 앞으로 무엇을 발견하든 모두 교과서를 다시 써야 할 만큼 새로운 것이 나온다는 점이다.
LHC는 인류가 아직 한 번도 가보지 못한 미지의 영역을 탐색하고 있다.
그만큼 인간 지성의 경계도 더 넓어질 것이다. 제네바에서 ‘뭔가 놀라운 발견을 했다’는 소식을 듣게 된다면 그로부터
새로운 과학혁명이 시작될 수도 있다.
◆힉스 입자=물질을 구성하는 입자에 질량을 부여하는 입자.
만들어지자마자 다른 입자로 쪼개지기 때문에 찾기 힘들다.
CERN의 과학자들은 LHC로 힉스 입자가 붕괴해 만들어지는 입자들을 검출해 역으로 이 입자의 존재를 확인했다.
◆전자볼트(eV)=전기를 띤 입자가 움직이며 하는 일의 크기.
1eV는 1개의 입자가 1V의 전압이 걸려 있는 전극 사이에서 가속될 때 에너지를 가리킨다.
○[아하! 우주] “우주탄생 ‘빅뱅’은 없었다”
최종수정 2015-03-03 18:56
빅뱅 이론에 따른 우주의 탄생 시간표
이 새로운 이론이 사실로 증명된다면 '우주가 빅뱅에서 출발했다'는 이른바 빅뱅 이론이 폐기처분될지도 모른다.
'피지컬 레터 B' 2월호에 발표된 이 이론에 따르면, 우주는 결코 '특이점', 곧 물질이 무한대의 밀도로 응축된 한 점에서
탄생하지 않았다.
새 이론의 공동저자인 캐나다 리스브리지 대학 이론물리학자 소리야 다스 교수는 "우리의 이론은 우주의 나이가 '무한'할
수 있다는 것을 시사하고 있다"며 우주 구조의 대부분을 이루고 있는 암흑물질이 어떻게 생성되었는가 하는 것도 설명할
수 있다고 주장한다.
기존의 '빅뱅 이론'에 따르면, 우주는 약 138억 년 전에 탄생했다.
현재 우주를 이루고 있는 모든 물질은 '특이점'이라고 불리는 아주 작은 한 점에 응축돼 있었는데,
그 점은 무한대의 밀도와 온도를 가진 '원시의 알'이라 할 수 있는 것이다.
이 한 점이 폭발하여 원시 우주를 만들었고, 그 우주는 자체의 진화 과정을 거쳐 오늘의 우주가 되었다는 것이다.
이 특이점은 아인슈타인의 일반상대성 이론의 장방정식에서 도출된 것으로, 이 방정식은 우주의 시공간이 물질에 의해
휘어져 있음을 기술하고 있다. 그리고 레이쇼드후리 방정식이라고 불리는 또 하나의 방정식에서도
역시 특이점이 도출되는데, 이 방정식은 물질의 분산과 집중의 경로를 서술한 것이다.
이들 이론들에 따르면, 우주의 모든 물질이 한때 하나의 점에 응축돼 있었던 것으로 알려져왔다.
이것이 바로 빅뱅의 특이점이라 불리는 것이다. 그러나 새로운 연구결과는 이 이론이 맞지 않다는 것이다.
-빅뱅에서 우주가 출발했다는 증거는?
아인슈타인의 방정식은 특이점에 도달하기도 전에 물리법칙이 파탄나는 것을 보여준다.
하지만 과학자들은 여전히 방정식이 유효하다는 전제로 추론을 한다고 몬트리올 맥길 대학의 우주론자인 로버트 브랜든버
거 교수가 주장한다. 그는 이 새 연구에 참여하지 않았지만 "우리가 빅뱅에서 우주가 출발했다고 말할 때 사실은 그에
대한 확고한 증거가 없다"고 강조한다.
물리학에는 또 다른 현안이 있다. 이른바 물리학을 떠받치고 있는 두 기둥, 즉 거시세계를 다루는 상대성 이론과 미시세계를
다루는 양자론을 하나의 양자중력 이론으로 통합하는 문제다.
양자역학은 아원자 수준의 소립자 운동은 근본적으로 불확정적이라고 본다.
이것은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 볼 때는 수용할 수 없는 기묘한 이론이다.
암흑물질의 증거. 유럽우주국(ESA)의 XMM 뉴턴 우주선이 수집한 데이터에서 안드로메다 은하와
페르세우스 은하군에서 암흑물질 신호인 X선이 방출되는 것이 발견되었다
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상대성 이론은 한마디로 결정론으로, 자연의 법칙을 알아내기만 한다면 과거의 행적으로 미래를 예측할 수 있다고 주장
한다. 따라서 두 이론의 모순 없는 통합이 이루어지지 못하고 있다고 다스는 설명한다.
이른바 대통일이론이라는 이 문제의 해결에 많은 물리학자들이 매달리고 있지만 현재까지 난항을 겪고 있는 중이다.
아인슈타인 역시 여생을 여기에 투입했지만 빈 손으로 가고 말았다.
-일반 상대성 이론에 양자역학을 접목
다스와 그의 동료 연구자들은 이 문제를 해결할 수 있는 방법을 모색하기 위해 '봄 역학'(Bohmian Mechanics)이라고
불리는 양자역학의 시각화라는 방법에 주목했다. 거기에는 숨은 변수가 아원자 입자들의 기묘한 움직임을 지배한다.
양자역학의 다른 방정식과는 달리 봄 역학은 입자의 궤적을 계산할 수 있는 방법을 제공해준다.
이 양자이론의 오랜 형식을 사용하여 연구자들은 아인슈타인의 일반 상대성 이론에 포함된 한 항에 작은 보정 값을
계산해냈다. 그런 다음 아주 오랜 과거 시간에 무엇이 일어났는가를 알아냈다.
새로운 방정식이 보여준 결과는 어떠한 특이점도 없다는 것이다.
우주는 한때 훨씬 작았지만, 빅뱅 이론에서 주장하는 것처럼 결코 무한하게 밀도가 높지는 않았다고 기술한다.
따라서 우주는 영원 이전부터 존재했다는 데로 귀결된다.
이들의 방정식에서 양자적 보정을 가한 항은 암흑물질의 밀도에 관련된 것이라고 다스 교수는 밝힌다.
그들의 이론대로라면, 우주는 가상의 입자, 예컨대 중력을 전달하는 입자로 알려진 중력양자(graviton)나 악시온이라는
극저온의 유령 같은 초유동 입자들로 가득 채워져 있을지도 모른다는 얘기다.
이 이론이 맞는 것인가를 검증하는 방법은 우주에 암흑물질이 얼마나 분포돼 있으며, 이론에서 제시된 초유동체의 비율과
맞아떨어지느냐를 조사하는 것이라고 다스는 제안한다.
어쨌든 새로운 방정식은 양자역학과 일반 상대성 이론을 접목시키는 하나의 방식으로 보인다.
이번 연구결과는 2월 4일자 '피지컬 레터 B' 저널에 발표되었다.
그리고 또 다른 논문은 발표를 앞두고 검토 중에 있는 것으로 알려졌다.
○[뉴스룸] 거대은하가 만든 중력렌즈 통해 90억 광년 초신성을 보다
최종수정 2015-03-14 08:30
허블망원경, 은하와 은하단의 ‘이중렌즈’ 효과 관측
머나먼 빛은 복잡한 중력장 지나 여러 경로 거쳐 날아와
50여년 전, 10여년 전, 현재 이어 10년 내 재출현 예측
빛도 중력을 만나면 중력 쪽으로 이끌려 휜다. 물론 우리가 경험하는 중력으론 그런 현상을 볼 수 없지만 우주에서
거대 질량 천체의 중력장을 지나갈 때 빛도 중력의 영향을 받아 휜다는 것은 아인슈타인의 일반상대성 이론으로 설명되는
데, 이런 현상은 이른바 '중력렌즈 효과'라고 불린다. 1979년 중력렌즈 효과가 실제로 처음 관측된 바 있다.
최근 미국항공우주국(NASA)과 유럽우주국(ESA)이 운영하는 허블 우주망원경이 지난해 11월 거대 은하단의 뒤편으로 저멀
리 93억 광년 떨어진 곳에 있는 초신성이 은하단과 은하의 중력렌즈 효과 덕분에 4개의 상으로 관측되는 독특한 현상을
발견했다고 밝혔다. 거대 별의 폭발인 초신성(supernova)이 중력렌즈를 통해 관측된 것은 이번이 처음이라고 한다.
관측의 성과는 과학저널 <사이언스>에 보고됐으며, 초신성은 노르웨이 천문학자 슈르 레프스달(Sjur Refsdal: 1935 200
9)의 이름을 따서 '레프스달 초신성(SN Refsdal)'으로 명명됐다.
어떻게 초신성 하나가 4개의 상으로 관측됐을까?
거대 천체의 중력이 빛을 굴절시키는 렌즈처럼 작용하기 때문이다.
관측자가 볼 때 거대 천체의 뒤편에 놓여 볼 수 없는 천체의 빛도 이처럼 중력렌즈 구실을 하는 거대 천체 중력에 의해
휘게 되면 빛은 관측자까지 도달할 수 있다.
만일 관측자(허블 망원경)와 중력렌즈(거대 질량의 천체), 그리고 광원(초신성)이 정확히 일직선에 놓이면 광원은 중력렌즈
효과로 인해 중력렌즈 구실을 하는 천체의 둘레에서 둥근 고리 모양으로 관측될 수 있다. 그러나 관측자와 중력렌즈,
광원의 위치가 약간 어긋나면 중력렌즈로 인해 생긴 상은 끊어지거나 일그러지거나 점으로 나타날 수 있다고 한다.
다음은 물리학 전문 매체가 전하는 설명이다.
중력렌즈 구실을 하는 것은 거대 은하 또는 은하단인데, 이런 중력렌즈는 멀리 떨어진 광원에서 오는 빛을 굴절
시켜, 즉 렌즈 효과를 내어 [지구나 지구 부근의] 관측자가 볼 수 있게 한다. 이런 효과는 아인슈타인의 일반상
대성 이론에 의해 예측됐으며 그런 렌즈 현상이 1979년에 처음 발견됐다. 멀리 떨어진 광원, 그리고 렌즈 구실
을 하는 은하, 그리고 관측자가 간혹 정확히 일직선에 놓이면, 우리 관측자는 ‘아인슈타인 고리(Einstein
ring)’를 볼 수 있게 된다. 아인슈타인 고리란 광원에서 오는 빛이 렌즈 구실을 하는 거대 질량을 고리 모양으로
에워싼 듯이 보이는 현상을 말한다. 그런데 만일 이런 일직선의 정렬에서 조금 틀어지면 관측자인 우리는
[렌즈를 둘러싼 고리 모양이 아니라] 그 일부인 활 모양을 보거나 점들을 보게 된다. 천체들의 상대적인 위치가
달라짐에 따라서, 그것을 4개 점으로 관찰할 수도 있는데, 이것은 흔히 ’아인슈타인 십자가(Einstein cross)’
라고 불린다. 이런 렌즈 효과는 “자연이 만들어준 망원경”으로서 천문학자들한테 도움을 준다. 천문학자들은
비친 상의 일그러짐 정도(amount of distortion observed)에 바탕을 두어 렌즈 구실을 하는 은하와 거기에
담긴 암흑물질의 질량을 확정할 수도 있다. [출처/ 피직스월드닷컴 뉴스]
그런데 흥미로운 점은, 이번에 관측된 초신성의 상이 ‘이중의 중력렌즈’ 효과로 생성됐다는 것이다.
은하의 군집인 은하단이라는 엄청난 중력장에 잡힌 상이 다시 은하단 안의 은하의 중력장에 잡혀 허블 우주망원경에 포착
됐다는 얘기다. 중력렌즈로 확대된 상을 중력렌즈로 또 확대했으니, 관측할 수 있는 우주 영역의 끝자락 부근에 있는
93억 광년 거리의 초신성도 매우 밝게 비치었다. 다음은 에사 허블우주망원경 사이트의 설명 대목이다.
“이 초신성은 자연 밝기보다 20배나 더 밝은 것으로 나타난다”고 논문 공저자인 덴마크 암흑우주론센터 소속
연구자(Jens Hjorth)는 설명한다. “2개 중력렌즈가 합해진 결합 효과 덕분입니다. 거대한 은하단이 적어도
세 갈래 경로를 따라 오는 초신성 빛을 초점에 모으고, 세 갈래 빛 가운데 하나가 이 은하단 안 타원은하 하나와
우연하게 정확히 정렬하면서 2차 중력렌즈 효과가 나타난 것입니다.” 이 타원은하와 연계된 암흑물질이 이 빛을
굴절시키고 다시 초점에 모으면서 4개 이상의 경로가 생겨나, 이번에 관측된 '아인슈타인 십자가'의 패턴을
만들어냈다는 것이다. [출처/ 허블우주망원경 사이트]
중력렌즈 효과에 관한 좀 더 복잡하면서도 흥미로운 사실도 전해졌다. 빛은 머나먼 거리를 여행하며 여러 중력장에 걸려
여러 갈래의 경로로 날아가기도 하는데, 또한 중력렌즈 구실을 하는 중력장의 위치가 변화하면서 그 경로도 바뀌게 되어
빛을 보는 관측자한테는 그 상이 우주의 창에서 여러 곳에 맺힐 수도 있다는 것이다.
이번 연구진은 컴퓨터 모델 분석을 통해서 이 초신성이 이미 50여 년 전과 10여 년 전에도 중력렌즈 효과에 의해 지구 관측
자한테 모습을 드러냈을 것이며, 또한 2014년에 관측된 데 이어 앞으로 10년 안에 다시 관측될 것으리는 예측을 내놓았다.
초신성 빛은 우주 공간의 여러 경로를 거치며 시간 지연 효과까지 겹쳐 네 차례에 걸쳐 그 모습을 '리플레이'하며 다시
드러낸다는 것이다.
이번에 중력렌즈에 의해 4개 상으로 관측된 초신성의 데이터는 쉽게 관측하기 힘들 정도로 먼 곳의 초신성을 자세히 관찰
할 수 있는 기회가 되고, 중력렌즈의 작용과 우주 팽창 속도의 측정에도 좋은 자료가 될 수 있을 것이라고 물리 전문매체
피직스월드닷컴은 내다봤다.◑
Hubble Sees Supernova Split into Four Images by Cosmic Lens
[ 유투브 동영상 https://youtu.be/XVKAfAkDJaY ]
■ 논문 초록
1964년 레프스달(Refsdal)은 빛이 강한 중력렌즈를 돌아서 여러 경로를 거쳐 날아오는 초신성이 우주 팽창 속도를
측정하는 데 사용될 수 있다는 가설을 제시했다. 우리는 그런 계를 발견했음을 보고한다. 허블우주망원경 영상에서,
우리는 단일 초신성이 은하단 MACS J1149.6+2223 안의 적색편이(redshift) 값이 z = 0.54인 타원은하 둘레에다
4개의 상을 만들어 ‘아인슈타인 십자가’를 형성했음을 발견했다. 그 은하단의 중력 포텐셜은 또한 이 초신성이 본래
속한 나선은하(z = 1.49)의 여러 상을 만들어낸다. 이 초신성 상은 은하단 내 다른 곳에서 미래에 다시 나타날 것으
로 예측된다. 초신성 상이 확대되었고 여러 경로를 거쳐 도착했다는 점은 은하와 은하단 중력렌즈 내부의 물질
분포뿐 아니라 우주 팽창 속도를 보여준다.