지구 주변에서 물질들을 토해내는 우주의 다양한 특이점들을 시각화한 이미지. / space.com 

우주의 새로운 모델이 등장했다. 우주에서 가장 신비롭고 잘 모르는 두 가지 요소, 암흑 에너지(dark energy)와 암흑 물질(dark matter) 대신 이 둘을 하나로 통합한 '암흑 우주(dark universe)'가 있다는 이야기다. 

새로운 개념은 암흑 우주를 '과도적 시간 특이점(transient temporal singularities)'이라고 불리는 여러 계단 모양의 폭발로 대체하며, 이 폭발은 우주 전체에 걸쳐 일어났다. 

과학자들은 이러한 '과도적 시간 특이점'이 우주에 물질과 에너지로 가득 차서 우주의 구조 자체가 팽창할 수 있다고 말한다. 이러한 균열은 너무 빨리 닫혀서 감지할 수 없게 되어 우리가 암흑 에너지에 기인하는 우주의 팽창과 암흑 물질에 기인하는 중력의 영향을 볼 수 있게 된다.

빅뱅부터 137억년에 이르는 우주의 타임라인(왼쪽)과 암흑 에너지, 암흑 물질의 압도적인 비중. / NASA, ESA 

헌츠빌 앨라배마 대학교 물리학 교수인 리처드 리우는 "새로운 모델은 기존 암흑 물질과 암흑 에너지를 대체하기 위해 모든 공간에 균일하게 영향을 미치는 '밀도 특이점'을 시간에 반영함으로써 구조 형성과 안정성, 그리고 우주 팽창의 주요 관측 특성을 모두 설명할 수 있다"고 말했다. 리우 교수가 '고전 및 양자 중력(Classic and Quantum Gravity)' 저널에 최근 발표하고 스페이스닷컴에 보도된 연구를 통해서다.

암흑 우주는 과학자들에게 매우 큰 수수께끼를 제기한다. 왜냐하면 우주의 물질과 에너지가 별, 행성, 위성, 우리 몸 등 매일 우리 주변에서 볼 수 있거나 명확히 인지할 수 있는 것은 5%에 불과하다는 것을 시사하기 때문이다. 그리고 나머지 95%가 무엇인지 전혀 모른다. 

우주의 물질과 에너지 구성 중 거대한 부분인 암흑 에너지는 우주의 팽창을 가속시키는 힘이라는 이름으로 약 70%를 차지한다. 반면 암흑 물질은 중력의 영향을 통해 최초의 은하가 모이는 데 도움을 주었지만 빛과 상호작용하지 않기 때문에 사실상 보이지 않는데, 전체 우주의 약 25%를 차지한다. 

암흑 물질과 암흑 에너지의 보편성과 우주 진화 모델에서 암흑 우주의 중요성은 과학자들이 해결하고자 하는 이중 미스터리를 만들어냅니다.그가 중력이 질량 없이 존재할 수 있다고 제안한 이전 연구를 바탕으로, 리우는 암흑 물질과 암흑 에너지의 필요성을 없앴다.

리우 교수는 "프레드 호일 경은 빅뱅 우주론에 반대하며 우주가 팽창함에 따라 물질과 에너지가 끊임없이 생성되는 우주의 '정상 상태' 모델을 가정했다"면서 "그러나 그 가설은 질량-에너지 보존 법칙을 위반한다"고 말했다. 대신 리우는 '과도적 시간 특이점'을 통해 물질과 에너지가 갑작스러운 폭발로 나타났다 사라질 수 있다고 제안한다. 현대 물리학의 에너지 보존법칙을 위반하지 않는다.

그는 "이러한 특이점은 시간에 따라 드물게 발생하고 해결되지 않은 속도이기 때문에 관찰할 수 없으며, 암흑 물질과 암흑 에너지가 발견되지 않은 이유일 수 있다"면서 "이러한 시간 특이점의 기원은 알려지지 않았으며, 빅뱅의 순간 자체도 마찬가지라고 해도 과언이 아니다"고 말했다. 

리우의 모델은 이러한 특이점을 암흑 에너지가 제안된 것처럼 반중력과 유사한 효과를 가진 "음압"을 생성하여 우주를 가속적으로 밀어내는 것으로 보고 있습니다.

리우의 궁극적인 결론은 암흑 우주와 그 구성 요소들이 우주에 보편적인 요소가 아닐 수도 있다는 것이다. "그들은 은하처럼 결합된 구조를 형성하기 위해 성장하는 무작위 공간 밀도 변화를 제외하고는 물질과 에너지가 우주 전체를 균일하게 채우는 짧은 경우에만 나타난다"고 설명했다. 

"이 새로운 이론과 표준 모델의 유일한 차이점은 시간 특이점이 후자에서는 한번만 발생했지만 전자에서는 두번 이상 발생했다는 점이다"고 리우 교수는 결론지었다. 이에따라 리우 교수는 앞으로 우주 팽창으로 인해 멀리 떨어진 물체에서 발견하는 적색편이 현상에서 '점프' 현상을 찾아내기 위해 지상망원경을 이용해 증명해낼 계획이다.