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과학과기술

과학자들이 아직 풀지 못한 우주의 미스테리 8가지

by 허성원 변리사 2012. 6. 2.

과학자들이 아직 풀지 못한 우주의 미스테리 8가지

 

1. 암흑에너지의 실체

우주는 점진적으로 팽창하고 있고, 이 팽창이론을 설명하는 것이 암흑에너지이다.
암흑에너지는 우주의 73%를 차지하지만, 아직 그 실체를 밝혀내거나 검출하지 못하였다.

 

2. 암흑물질의 온도

우주에는 보이는 것보다 보이지 않는 물질이 훨씬 많다.

이 보이지 않는 물질을 암흑물질이라 하며, 과학자들은 눈에 보이는 일반 물질에 작용하는 중력의 크기를 가늠하여 암흑물질의 존재를 추론한다.

 

항성, 행성 및 인간 등과 같은 통상의 물질은 우주 전체의 4% 정도에 불과하고, 시각적으로 확인불가능한 암흑물질은 우주의 약 23%를 차지한다.   과학자들은 이 암흑물질의 실체를 아직 파악하지 못하고 있다.  특히 암흑물질의 온도가 표준 이론이 가정한 대로 매우 차가운가 아니면 그보다는 조금 따뜻한가에 대해서도 아직 연구가 미흡한 상태이다.

 

3. 사라진 중입자(baryon)는 어디에 있는가?

암흑에너지와 암흑물질이 대충 우주의 95%를 차지한다고 보면, 우주 내에는 일반 물질이 5%에 불과하다.

그런데 그 일반 물질 중 절반 이상이 사라졌다.
중입자라고 불리는 물질은 우주 내 가시 물질의 대부분을 구성하는 양자나 전자로 이루어져 있다.

천문학자들은 초기 우주에서부터 현재에 이르기까지 중입자의 수가 어떻게 변하는지 관찰하였다.
그런데 미스테리하게도 중입자의 수가 우주 역사의 흐름과 함께 점차 사라진 것이다.

 

일부 천체물리학자들은 중입자가 은하들 사이에 warm-hot intergalactic medium, or WHIM로서 존재할 것으로 추정한다.
과학자들은 중입자의 소재를 확인하는 작업을 매우 중요하게 생각한다. 그 소재를 알면 우주 구조 및 은하가 시간이 흐름에 따라 여하히 진화했는지를 알 수 있기 때문이다.

 

4. 별은 어떻게 폭발하는가?

별이 노화되어 죽을 때 소위 '수퍼노바'(초신성)라고 하는 엄청난 폭발을 일으킨다.

이 때의 밝기는 전체 은하보다 더 밝다.

과학자들은 오랫동안 수퍼노바를 연구하고 복잡한 컴퓨터 모델을 이용하여 재현해 보았지만,

그 거대한 폭발의 발생 원리를 여전히 파악하지 못하고 미스테리로 남아있다.

 

5. 우주는 재이온화(re-ionization)하는가?

우주의 기원과 진화에 대해서는 빅뱅이론이 널리 인정되고 있다.

이 이론은 약 137억년 전에 엄청난 고온 및 고밀도의 한 점에서 우주가 시작하였다고 한다.

약 130억년 전 매우 역동적인 상황인 초기 우주 시대를 재이온화의 시대라 부른다.

이 기간 동안 초기 우주에 생성된 수소가스의 안개가 정화되면서 처음으로 자외선이 투과할 수 있는 상태로 되어간다. 

 

백빙 후 약 4십년 동안 양자와 전자가 상호 인력이 작용할 정도로 충분히 식어서 중성의 수소를 생성하였다. 이 때 전자로부터 흩어져나온 광자는 우주를 자유로이 여행한다.

그 후 수억년이 지나서 전자는 다시 원자로부터 벗겨져 나온다.

 

그러나 이 때, 우주가 팽창하면서 양자와 전자를 충분히 흩어버리게 되므로 새로운 에너지원이 그들의 재결합을 방해하였다. 또한 입자들의 밀도도 충분히 묽어져서 대부분의 광자가 방해 없이 자유로이 통과할 수 있었다. 그 결과 대부분의 우주 물질들은 광투과성 이온화 플라즈마로 전환되어 오늘까지 유지되고 있다.

 

6. 고에너지 우주선(energetic cosmic rays)의 기원은 무엇인가?

고에너지 우주입자 즉 우주선이 어디서 오는지에 대해 오랫동안 연구하였으나 아직 밝혀내지 못하고 있다.


이 우주선들은 전하를 띤 준 원자 입자들로서, 외부 공간 깊은 곳에서 태양계로 흘러로며, 태양과 지구의 자기장에 의해 그 경로가 휘어진다.

가장 강한 우주선은 그 에너지가 인간이 만든 입자가속기의 입자보다 1억배 이상 크다.

이 이상한 입자의 출처는 아직 미스테리이다.

 

7. 태양계는 왜 이렇게 특별할까?

우리 태양계는 매우 독특한 특성을 가지고 있다.

예를 들어 태양개의 내측 행성 4개는 중심부가 금속이고 지각이 암반으로 구성되어 있다. 외곽의 4개 행성은 각각 크게 다른 특성을 나타낸다.  과학자들은 태양계가 어떻게 하여 이런 특성을 갖게 되었는지 파악하고자 노력하였으나, 해답을 얻지 못하고 있다.

 

8. 태양의 코로나는 왜 그렇게 뜨거운가?

태양의 외부 대기를 코로나라고 한다.  이 코로나의 온도는 섭씨 50만도 내지 6백만도의 범위까지 상승한다.  태양이 어떻게하여 코로나를 그 온도까지 가열하는지에 대한 비밀은 아직 풀리지 않고 있다.  우리가 볼 수 있는 표면의 아래에서 일어나는 태양 자기장에 혐의를 두고 있기는 하지만 구체적인 메커니즘은 밝혀지지 않았다.

 

 

 

8 modern astronomy mysteries scientists still can't explain

Science writers put heads together to list top puzzling secrets held by vastness of space

 

NASA, ESA, and S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team

This view of nearly 10,000 galaxies is called the Hubble Ultra Deep Field. The shot includes galaxies of various ages, sizes, shapes and colors. The smallest, reddest galaxies may be among the most distant known, existing when the universe was just 800 million years old. The nearest galaxies — the larger, brighter, well-defined spirals and ellipticals — thrived about 1 billion years ago, when the cosmos was 13 billion years old.
updated 5/31/2012 7:10:44 PM ET2012-05-31T23:10:44

The vastness of space and the puzzling nature of the cosmic objects that occupy it provides no shortage of material for astronomers to ponder.

To round up some of the most enduring mysteries in the field of astronomy, the journal Science enlisted help from science writers and members of the Board of Reviewing Editors to choose eight puzzling questions being asked by leading astronomers today.

As Robert Coontz, deputy news editor at Science, writes in his introduction to the series, the participants decided that, "true mysteries must have staying power," rather than being questions that might be resolved by research in the near future. In fact, while some of the topics discussed may one day be solved through astronomical observations, others may never be solved, he added.

In no particular order, here are eight of the most compelling mysteries of astronomy, as presented by the journal Science:

NASA, ESA, E. Jullo (JPL / LAM), P. Natarajan (Yale) and J-P. Kneib (LAM)
The galaxy cluster Abell 1689 is famous for the way it bends light in a phenomenon called gravitational lensing. A new study of the cluster is revealing secrets about how dark energy shapes the universe.

What is dark energy?
In the 1920s, astronomer Edwin Hubble discovered that the universe is not static, but rather is expanding. In 1998, the Hubble Space Telescope, named for the astronomer, studied distant supernovas and found that the universe was expanding more slowly a long time ago compared with the pace of its expansion today.

This groundbreaking discovery puzzled scientists, who long thought that the gravity of matter would gradually slow the universe's expansion, or even cause it to contract. Explanations of the universe's accelerated expansion led to the bizarre and hotly debated concept of dark energy, which is thought to be the enigmatic force that is pulling the cosmos apart at ever-increasing speeds.

While dark energy is thought to make up approximately 73 percent of the universe, the force remains elusive and has yet to be directly detected.

"Dark energy might never reveal its nature," Science staff writer Adrian Cho wrote. "Still, scientists remain optimistic that nature will cooperate and that they can determine the origins of dark energy."

How hot is dark matter?
In the 1960s and 1970s, astronomers hypothesized that there might be more mass in the universe than what is visible. Vera Rubin, an astronomer at the Carnegie Institution of Washington, studied the speeds of stars at various locations in galaxies. [ Top 10 Strangest Things in Space ]

NASA, ESA, CFHT, CXO, M.J. Jee (University of California, Davis), and A. Mahdavi (San Francisco State University)
The natural-color image of the galaxies was taken with NASA's Hubble Space Telescope and with the Canada-France-Hawaii Telescope in Hawaii.

Rubin observed that there was virtually no difference in the velocities of stars at the center of a galaxy compared to those farther out. These results seemed to go against basic Newtonian physics, which implies that stars on the outskirts of a galaxy would orbit more slowly.

Astronomers explained this curious phenomenon with an invisible mass that became known as dark matter. Even though it cannot be seen, dark matter has mass, so researchers infer its presence based on the gravitational pull it exerts on regular matter.

Dark matter is thought to make up about 23 percent of the universe, while only 4 percent of the universe is composed of regular matter, which includes stars, planets and humans.

"Scientists still don't know what dark matter is, but that could soon change," Cho wrote. "Within years, physicists might be able to detect particles of the stuff."

But while astronomers may soon be able to detect particles of dark matter, certain properties of the material remain unknown.

"In particular, studies of runty 'dwarf galaxies' might test whether dark matter is icy cold as standard theory assumes, or somewhat warmer — essentially a question of how massive particles of dark matter are," Cho explained.

NASA / CXC / Univ. of California Irvine / T. Fang Illustration: CXC / M. Weiss
Scientists have used NASA's Chandra X-ray Observatory and ESA's XMM- Newton to detect a vast reservoir of gas lying along a wall-shaped structure of galaxies about 400 million light-years from Earth. In this artist's impression, a close-up view of the so-called Sculptor Wall is depicted. This discovery is the strongest evidence yet that the "missing matter" in the nearby universe is in an enormous web of hot, diffuse gas.

Where are the missing baryons?
If dark energy and dark matter combine to make up roughly 95 percent of the universe, regular matter makes up about 5 percent of the cosmos. Yet, more than half of this regular matter is missing.

This so-called baryonic matter is composed of particles such as protons and electrons that make up most of the mass of the visible matter in the universe.

"As astronomers count baryons from the early universe to the present day, however, the number drops mysteriously, as if baryons were steadily vanishing through cosmic history," wrote Yudhijit Bhattacharjee, a staff writer at Science.

According to Bhattacharjee, astrophysicists suspect the missing baryonic matter may exist between galaxies, as material that is known as warm-hot intergalactic medium, or WHIM.

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