우주는 얼마나 클까. 크기를 가장 쉽게 알 수 있는 방법은 태양과 가장 가까운 별까지의 거리를 알아보는 방법이다. 센타우루스 자리에 있는 ‘프록시마’ 혹은 ‘알파-센타우리’는 태양에서 가장 가까이에 있는 별로 약 4.22광년 떨어져 있다. 4.22광년은 빛이 4.22년을 달린 거리를 말한다. 이를 미터법으로 환산하면 약 40조 킬로미터 거리에 해당한다. 이 정도 거리면 우리 의식으로는 얼마나 멀리 있는지 상상이 되지 않는다. 이 거리를 실감나게 표현하는 방법이 있다. 바로 비유를 통하면 된다.
태양의 크기를 지름 1센티미터의 크기의 구슬이라고 한다면, ‘알파-센타우리’와는 300킬로미터가 떨어져 있다고 보면 된다. 좀 실감이 나는가? 아직도 실감이 나지 않는다면 태양의 크기를 좀 더 크게 만들어 보자. 좀 전 보다 태양을 30배 크다고 생각해보자. 태양의 크기를 30센티미터의 공이라고 한다면 9,000킬로미터 떨어져 있다는 말이다. 이 정도라면 인천공항에서 미국 LA로 가는 만큼이나 먼 거리다. 인천에서 LA사이가 텅 비어 있다는 말이니, 정말 우주가 크고도 넓다는 말에 고개가 끄덕여진다. 하지만 실제 태양의 크기는 지구보다 109배가 크니 별 사이의 거리는 우리의 상상을 초월한다.
여기에서 우리의 상상력을 조금 더 발휘해보자. 태양계가 속해 있는 은하는 태양과 같은 별이 1,000억 개가 존재한다. 게다가 우주에는 우리 은하계와 같은 은하가 1,000억 개 이상 있다. 정말 천문학적 숫자나 규모라는 말이 실감 난다.
그렇다면 이 커다란 우주는 어떤 물질로 이루어져있을까. 수소, 헬륨, 탄소, 질소, 산소 등 여러 가지 원소로 이루어져 있다. 멘델레예프는 우주에 존재하는 모든 원소를 한 표에 넣었다. 바로 원소 주기율표다. 우리 몸도 그 원소의 일부로 만들어졌다. 그런데 과연 이 우주는 이러한 원소로만 이루어졌을까.
<암흑 우주>(바다출판사.2011년)에 보면 이에 대한 답이 들어있다. 우리가 알고 있는 원소는 우주를 구성하는 물질 중 고작 4퍼센트에 불과하다. 그럼 나머지 96퍼센트는 무엇일까. 74%는 암흑 에너지고, 22퍼센트는 암흑 물질이다. 나머지 96퍼센트에 해당하는 물질에 ‘암흑’이라는 단어를 쓰고 있는 이유는 우리가 아직도 그 물질의 정체를 모르기 때문이다.
그렇다면 암흑 에너지와 암흑 물질의 정체를 모르면서도 이들이 존재한다는 것은 어떻게 알 수 있을지가 궁금하다. 관측 결과에 따르면 은하는 우주가 탄생한지 10억 년 이내에 태어났다고 보고 있다. 그렇지만 이는 우리가 알고 있는 물질만으로는 불가능하다. 왜냐하면 질량이 부족하기에 중력으로 신속하게 모여서 커다란 가스 구름을 만들 수 없기 때문이다. 요컨대 원소로만 우주가 이루어졌다면 10억 년 이내에 은하가 탄생할 수 없다는 말이다.
따라서 은하가 생겨나기 위해서는 은하를 조종하는 무언가가 반드시 존재해야만 한다. 그렇다면 이런 물질과 에너지가 있다는 사실은 어떻게 알 수 있을까. 바로 질량으로 알 수 있다. 그러나 전하를 가지고 있지 않기에 전자파가 나오지 않아서 우리가 알 수 없을 뿐이다. 쉽게 말해 암흑 물질과 암흑 에너지는 몸을 숨긴 채 이 커다란 우주를 좌지우지하고 있다는 말이다.
암흑물질에 의해 은하가 형성된다는 가설은 2007년 과학잡지 <네이처>에 의해 사실임이 입증되었다. 정말 우리는 우주에 대해 아직도 모르는 부분이 너무 많다.
알퐁스 도데의 <별>에서 목동과 소녀가 함께 바라본 하늘과 별은 낭만적이었고 또 아름다웠다. 그러나 그 하늘이 과학자들에게는 의문으로 가득 차있고, 그들의 상상력을 불러일으키고 있다. <별>의 마지막에 나오는 목동의 독백이 기억이 난다. “나는 수많은 별들 가운데서 가장 아름답게 빛나는 별 하나가 길을 잃고 헤매다 지쳐 내 어깨 위에서 잠들어 있는 것이라고 생각했다.” 두 사람을 비춰주는 밤하늘의 별이 암흑물질에 의해 만들어졌다는 점을 알퐁스 도데는 몰랐다.