우주의 암흑에너지에 관해 알아보기 첫번째

앞서 알아본 우주의 암흑물질과 우주의 인플레이션만으론 무엇인가 얻어낸 결과값이 있다.하나는 우주가 열려있던지 아니면 보통의 물질이 아닌 다른 형태의 에너지에 의해 우주가 평평해야 한다. 높은 분해능의 우주 배경복사를 관측한 결과 우주는 평평하다는 결론이다. 우주의 온도 요동은 물질로 재결합하는 시기에 존재했던 물질 분포의 조건 변화에 의존한다. 배경 복사는 은하로 뭉쳐지게 될 먼지와 복사의 비균일성을 보여주는 스냅 사진이다. 인플레이션은 하늘에 뜨겁고 차가운 반점의 패턴에 대한 정학하게 묘사한다. 즉, 일정한 각 크기 안에 얼마나 많은 반점(spot) 있어야 하는지 그리고, 반점이 얼마나 뜨겁고 차가워야 하는지를 말한다. 가장 중요한 것은 뜨겁고 차가운 반점의 각 크기를 예견한다. 뜨겁고 차가운 반점은 재결합 시기에 광자들이 가장 과밀한 곳과 저밀한 곳을 나오는데 기인한 것이다. 이 특별한 크기는 재결합 시기의 중력과 압력사이의 균형에 의해 결정되는 길이에 기초한다. 물리적 크기와 하늘에서 관측되는 각 크기의 관계는 결정적으로 시공간의 기하학적 구조에 의존한다. 만약 우주가 평평하면 반점은 하늘에서 약 1°의 각 크기에 대응된다. 공간이 음의 곡률이면 더 작게되고 반면 양의 곡률이면 더 크게 된다. 최근의 관측에 의하면 뜨겁고 차가운 반점은 평평한 유클리드 기하학에서와 같은 크기를 갖는다. 물질 밀도가 임계값은 0.3 밖에는 되지 않는데도 우주는 평평한 것을 설명하는 방법은 임계 밀도의 나머지 0.7에 해당하는 에너지는 새로운 형태의 암흑에너지를 설정하는 것이다. Dark energy는 인력인 중력에 의하여 은하와 더 큰 규모의 구조를 만든 암흑물질과는 완전히 다르다. 암흑에너지가 현재 우주 에너지 밀도의 0.7이나 되지만 얼마 전까지만 해도 그렇게 중요한 부분은 아니었다.

그렇지 않으면 중력에 의하여 일반적인 물질로 오늘날 우리가 보는 별, 은하 등을 만드는 것은 불가능했을 것이다.얼마 전까지는 중요하지 않았고 현재 주도적인 역할을 하는 암흑에너지 형태의 에너지는 그 밀도가 물질의 밀도보다는 시간에 따라 천천히 감소해야 한다. 즉, 우주의 부피가 두 배로 커지면 물질 밀도는 반으로 감소하고, 암흑에너지 밀도는 더 작은 비율로 감소해야 한다. 아인슈타인의 방정식에 의하면 이런 성질을 가지는 암흑에너지는 충분한 존재 가능성이 있지만 중력에 의하여 스스로 척력이 작용하는 이상한 성질을 가져야만 한다. 일반적인 물질과는 달리 스스로 척력이 작용하는 암흑에너지는 우주의 팽창을 가속시키는 원인이 될 것이다. 암흑에너지에 대하여 알고 있는 하나의 사실은 음의 압력을 가진다는 것이다. 우주의 가속 팽창은 압력이 충분히 음의 값을 가질 때 가능하다. 그 이유는 일반 상대론에서 중력의 크기는 ρ+3P에 비례한다. 여기서 ρ는 모든 형태의 에너지 밀도이며 P는 압력이다. 일반적으로 압력은 에너지 밀도에 비하여 무시할 정도로 작고 에너지 밀도가 클수록 인력은 커진다. 그래서 큰 에너지 밀도는 공간을 구부리고 주위를 찌푸린다. 만약 충분한 크기의 음의 압력으로 ρ+3P가 음의 값을 가지면 중력은 척력이 된다.일반적인 물질은음의 압력은 이상하게 보이지만 물리적 과정에서 일어날 수 있다. 원자나 분자로 이루어진 일반적이 가스는 압축된 스프링처럼 모든 방향에서 밖으로 민다. 반면 주위의 가스보다 높은 에너지를 가지는 준안정 상태에서 상호작용 하는 가스 거품은 늘어난 스프링처럼 안쪽으로 작용하는 힘 또는 음의 압력을 가진다. 우주 암흑에너지(cosmic dark energy)란 물질의 인력과 반대되는 어떤 척력이 작용하여 우주팽창을 가속화시키는 것이다. 여러 종류의 암흑에너지가 제안되었는데 이들 중에는 진공에너지(또는 우주상수)와 제 5원소가 있다. 5원소에 관한 내용은 다음글에서 다뤄보도록 하겠다.