'암흑물질에 대한 조명' 주제 강의 번역(패트리샤 버챗, Patricia Burchat)

'암흑물질에 대한 조명' 주제 강의

As a particle physicist, I study the elementary particles and how they interact on the most fundamental level. For most of my research career, I've been using accelerators, such as the electron accelerator at Stanford University, just up the road, to study things on the smallest scale. But more recently, I've been turning my attention to the universe on the largest scale. Because, as I'll explain to you, the questions on the smallest and the largest scale are actually very connected. So I'm going to tell you about our twenty-first-century view of the universe, what it's made of and what the big questions in the physical sciences are -- at least some of the big questions.

 

So, recently, we have realized that the ordinary matter in the universe -- and by ordinary matter, I mean you, me, the planets, the stars, the galaxies -- the ordinary matter makes up only a few percent of the content of the universe. Almost a quarter, or approximately a quarter of the matter in the universe, is stuff that's invisible. By invisible, I mean it doesn't absorb in the electromagnetic spectrum. It doesn't emit in the electromagnetic spectrum. It doesn't reflect. It doesn't interact with the electromagnetic spectrum, which is what we use to detect things. It doesn't interact at all. So how do we know it's there? We know it's there by its gravitational effects. In fact, this dark matter dominates the gravitational effects in the universe on a large scale, and I'll be telling you about the evidence for that.

 

What about the rest of the pie? The rest of the pie is a very mysterious substance called dark energy. More about that later, OK. So for now, let's turn to the evidence for dark matter. In these galaxies, especially in a spiral galaxy like this, most of the mass of the stars is concentrated in the middle of the galaxy. This huge mass of all these stars keeps stars in circular orbits in the galaxy. So we have these stars going around in circles like this. As you can imagine, even if you know physics, this should be intuitive, OK -- that stars that are closer to the mass in the middle will be rotating at a higher speed than those that are further out here, OK.

 

So what you would expect is that if you measured the orbital speed of the stars, that they should be slower on the edges than on the inside. In other words, if we measured speed as a function of distance -- this is the only time I'm going to show a graph, OK -- we would expect that it goes down as the distance increases from the center of the galaxy. When those measurements are made, instead what we find is that the speed is basically constant, as a function of distance. If it's constant, that means that the stars out here are feeling the gravitational effects of matter that we do not see. In fact, this galaxy and every other galaxy appears to be embedded in a cloud of this invisible dark matter. And this cloud of matter is much more spherical than the galaxy themselves, and it extends over a much wider range than the galaxy. So we see the galaxy and fixate on that, but it's actually a cloud of dark matter that's dominating the structure and the dynamics of this galaxy.

 

Galaxies themselves are not strewn randomly in space; they tend to cluster. And this is an example of a very, actually, famous cluster, the Coma cluster. And there are thousands of galaxies in this cluster. They're the white, fuzzy, elliptical things here. So these galaxy clusters -- we take a snapshot now, we take a snapshot in a decade, it'll look identical. But these galaxies are actually moving at extremely high speeds. They're moving around in this gravitational potential well of this cluster, OK. So all of these galaxies are moving. We can measure the speeds of these galaxies, their orbital velocities, and figure out how much mass is in this cluster.

 

And again, what we find is that there is much more mass there than can be accounted for by the galaxies that we see. Or if we look in other parts of the electromagnetic spectrum, we see that there's a lot of gas in this cluster, as well. But that cannot account for the mass either. In fact, there appears to be about ten times as much mass here in the form of this invisible or dark matter as there is in the ordinary matter, OK. It would be nice if we could see this dark matter a little bit more directly. I'm just putting this big, blue blob on there, OK, to try to remind you that it's there. Can we see it more visually? Yes, we can.

 

And so let me lead you through how we can do this. So here's an observer: it could be an eye; it could be a telescope. And suppose there's a galaxy out here in the universe. How do we see that galaxy? A ray of light leaves the galaxy and travels through the universe for perhaps billions of years before it enters the telescope or your eye. Now, how do we deduce where the galaxy is? Well, we deduce it by the direction that the ray is traveling as it enters our eye, right? We say, the ray of light came this way; the galaxy must be there, OK. Now, suppose I put in the middle a cluster of galaxies -- and don't forget the dark matter, OK. Now, if we consider a different ray of light, one going off like this, we now need to take into account what Einstein predicted when he developed general relativity. And that was that the gravitational field, due to mass, will deflect not only the trajectory of particles, but will deflect light itself.

 

So this light ray will not continue in a straight line, but would rather bend and could end up going into our eye. Where will this observer see the galaxy? You can respond. Up, right? We extrapolate backwards and say the galaxy is up here. Is there any other ray of light that could make into the observer's eye from that galaxy? Yes, great. I see people going down like this. So a ray of light could go down, be bent up into the observer's eye, and the observer sees a ray of light here.

 

Now, take into account the fact that we live in a three-dimensional universe, OK, a three-dimensional space. Are there any other rays of light that could make it into the eye? Yes! The rays would lie on a -- I'd like to see -- yeah, on a cone. So there's a whole ray of light -- rays of light on a cone -- that will all be bent by that cluster and make it into the observer's eye. If there is a cone of light coming into my eye, what do I see? A circle, a ring. It's called an Einstein ring. Einstein predicted that, OK. Now, it will only be a perfect ring if the source, the deflector and the eyeball, in this case, are all in a perfectly straight line. If they're slightly skewed, we'll see a different image.

 

Now, you can do an experiment tonight over the reception, OK, to figure out what that image will look like. Because it turns out that there is a kind of lens that we can devise, that has the right shape to produce this kind of effect. We call this gravitational lensing. And so, this is your instrument, OK. . But ignore the top part. It's the base that I want you to concentrate, OK. So, actually, at home, whenever we break a wineglass, I save the bottom, take it over to the machine shop. We shave it off, and I have a little gravitational lens, OK. So it's got the right shape to produce the lensing. And so the next thing you need to do in your experiment is grab a napkin. I grabbed a piece of graph paper -- I'm a physicist. So, a napkin. Draw a little model galaxy in the middle. And now put the lens over the galaxy, and what you'll find is that you'll see a ring, an Einstein ring. Now, move the base off to the side, and the ring will split up into arcs, OK. And you can put it on top of any image. On the graph paper, you can see how all the lines on the graph paper have been distorted. And again, this is a kind of an accurate model of what happens with the gravitational lensing.

 

OK, so the question is: do we see this in the sky? Do we see arcs in the sky when we look at, say, a cluster of galaxies? And the answer is yes. And so, here's an image from the Hubble Space Telescope. Many of the images you are seeing are earlier from the Hubble Space Telescope. Well, first of all, for the golden shape galaxies -- those are the galaxies in the cluster. They're the ones that are embedded in that sea of dark matter that are causing the bending of the light to cause these optical illusions, or mirages, practically, of the background galaxies. So the streaks that you see, all these streaks, are actually distorted images of galaxies that are much further away.

 

So what we can do, then, is based on how much distortion we see in those images, we can calculate how much mass there must be in this cluster. And it's an enormous amount of mass. And also, you can tell by eye, by looking at this, that these arcs are not centered on individual galaxies. They are centered on some more spread out structure, and that is the dark matter in which the cluster is embedded, OK. So this is the closest you can get to kind of seeing at least the effects of the dark matter with your naked eye.

 

OK, so, a quick review then, to see that you're following. So the evidence that we have that a quarter of the universe is dark matter -- this gravitationally attracting stuff -- is that galaxies, the speed with which stars orbiting galaxies is much too large; it must be embedded in dark matter. The speed with which galaxies within clusters are orbiting is much too large; it must be embedded in dark matter. And we see these gravitational lensing effects, these distortions that say that, again, clusters are embedded in dark matter.

 

OK. So now, let's turn to dark energy. So to understand the evidence for dark energy, we need to discuss something that Stephen Hawking referred to in the previous session. And that is the fact that space itself is expanding. So if we imagine a section of our infinite universe -- and so I've put down four spiral galaxies, OK -- and imagine that you put down a set of tape measures, so every line on here corresponds to a tape measure, horizontal or vertical, for measuring where things are. If you could do this, what you would find that with each passing day, each passing year, each passing billions of years, OK, the distance between galaxies is getting greater. And it's not because galaxies are moving away from each other through space. They're not necessarily moving through space. They're moving away from each other because space itself is getting bigger, OK. That's what the expansion of the universe or space means. So they're moving further apart.

 

Now, what Stephen Hawking mentioned, as well, is that after the Big Bang, space expanded at a very rapid rate. But because gravitationally attracting matter is embedded in this space, it tends to slow down the expansion of the space, OK. So the expansion slows down with time. So, in the last century, OK, people debated about whether this expansion of space would continue forever; whether it would slow down, you know, will be slowing down, but continue forever; slow down and stop, asymptotically stop; or slow down, stop, and then reverse, so it starts to contract again. So a little over a decade ago, two groups of physicists and astronomers set out to measure the rate at which the expansion of space was slowing down, OK. By how much less is it expanding today, compared to, say, a couple of billion years ago?

 

The startling answer to this question, OK, from these experiments, was that space is expanding at a faster rate today than it was a few billion years ago, OK. So the expansion of space is actually speeding up. This was a completely surprising result. There is no persuasive theoretical argument for why this should happen, OK. No one was predicting ahead of time this is what's going to be found. It was the opposite of what was expected. So we need something to be able to explain that. Now it turns out, in the mathematics, you can put it in as a term that's an energy, but it's a completely different type of energy from anything we've ever seen before. We call it dark energy, and it has this effect of causing space to expand. But we don't have a good motivation for putting it in there at this point, OK. So it's really unexplained as to why we need to put it in.

 

Now, so at this point, then, what I want to really emphasize to you, is that, first of all, dark matter and dark energy are completely different things, OK. There are really two mysteries out there as to what makes up most of the universe, and they have very different effects. Dark matter, because it gravitationally attracts, it tends to encourage the growth of structure, OK. So clusters of galaxies will tend to form, because of all this gravitational attraction. Dark energy, on the other hand, is putting more and more space between the galaxies, makes it, the gravitational attraction between them decrease, and so it impedes the growth of structure. So by looking at things like clusters of galaxies, and how they -- their number density, how many there are as a function of time -- we can learn about how dark matter and dark energy compete against each other in structure forming.

 

In terms of dark matter, I said that we don't have any, you know, really persuasive argument for dark energy. Do we have anything for dark matter? And the answer is yes. We have well-motivated candidates for the dark matter. Now, what do I mean by well motivated? I mean that we have mathematically consistent theories that were actually introduced to explain a completely different phenomenon, OK, things that I haven't even talked about, that each predict the existence of a very weakly interacting, new particle.

 

So, this is exactly what you want in physics: where a prediction comes out of a mathematically consistent theory that was actually developed for something else. But we don't know if either of those are actually the dark matter candidate, OK. One or both, who knows? Or it could be something completely different. Now, we look for these dark matter particles because, after all, they are here in the room, OK, and they didn't come in the door. They just pass through anything. They can come through the building, through the Earth -- they're so non-interacting.

 

So one way to look for them is to build detectors that are extremely sensitive to a dark matter particle coming through and bumping it. So a crystal that will ring if that happens. So one of my colleagues up the road and his collaborators have built such a detector. And they've put it deep down in an iron mine in Minnesota, OK, deep under the ground, and in fact, in the last couple of days announced the most sensitive results so far. They haven't seen anything, OK, but it puts limits on what the mass and the interaction strength of these dark matter particles are. There's going to be a satellite telescope launched later this year and it will look towards the middle of the galaxy, to see if we can see dark matter particles annihilating and producing gamma rays that could be detected with this. The Large Hadron Collider, a particle physics accelerator, that we'll be turning on later this year. It is possible that dark matter particles might be produced at the Large Hadron Collider.

 

Now, because they are so non-interactive, they will actually escape the detector, so their signature will be missing energy, OK. Now, unfortunately, there is a lot of new physics whose signature could be missing energy, so it will be hard to tell the difference. And finally, for future endeavors, there are telescopes being designed specifically to address the questions of dark matter and dark energy -- ground-based telescopes, and there are three space-based telescopes that are in competition right now to be launched to investigate dark matter and dark energy. So in terms of the big questions: what is dark matter? What is dark energy? The big questions facing physics. And I'm sure you have lots of questions, which I very much look forward to addressing over the next 72 hours, while I'm here. Thank you.

 

'암흑물질에 대한 조명' 주제 강의 번역

입자물리학자로서, 저는 기본 입자와 그들이 가장 근본적인 수준에서 어떻게 상호작용하는지 연구합니다. 제 연구 경력의 대부분을 스탠포드 대학의 전자 가속기와 같은 가장 작은 크기의 것을 연구하기 위해 사용해 왔습니다. 하지만 최근에는, 가장 큰 규모로 우주에 관심을 돌리고 있습니다. 왜냐하면, 제가 여러분께 설명해 드리자면, 가장 작은 것과 가장 큰 것의 질문들은 실제로 매우 연결되어 있기 때문입니다. 그래서 저는 우리의 21세기적 우주관에 대해 말씀드리려고 합니다. 우주가 무엇으로 만들어졌는지, 그리고 물리과학에서 가장 큰 의문점들 중 몇 가지를 말씀드리겠습니다.

 

그래서 최근에 우리는 우주의 평범한 물질, 즉 여러분, 저, 행성들, 별들, 은하들이 우주의 몇 퍼센트를 차지한다는 것을 깨달았습니다. 우주의 거의 1/4 혹은 대략 1/4은 보이지 않는 물질입니다. 보이지 않는다는 건 전자기 스펙트럼에서 흡수되지 않는다는 거죠 그것은 전자기 스펙트럼을 방출하지 않습니다. 반사되지 않아요. 전자기 스펙트럼과 상호작용하지 않습니다. 전자기 스펙트럼은 우리가 무언가를 감지하기 위해 사용하는 것입니다. 그것은 전혀 상호작용하지 않습니다. 그게 거기 있는지 어떻게 알죠? 우리는 중력적인 효과로 그것이 그곳에 있다는 것을 압니다. 사실, 이 암흑 물질은 우주의 중력적 영향을 크게 지배하고 있습니다. 그 증거에 대해 말씀드리겠습니다.

 

나머지 파이는요? 파이의 나머지는 암흑 에너지라고 불리는 매우 신비한 물질입니다. 그건 나중에 얘기해요, 좋아요. 그럼 지금은 암흑물질에 대한 증거로 돌아가보죠. 이 은하들, 특히 이와 같은 나선은하에서, 별들의 질량 대부분은 은하 중심에 집중되어 있습니다. 이 모든 별들의 거대한 질량은 은하에서 별들을 원형 궤도로 유지합니다. 그래서 우리는 별들이 이렇게 원을 그리며 돌고 있습니다. 여러분도 아시겠지만, 물리학을 아신다고 해도, 이것은 직관적인 것이어야 합니다. 중심에 있는 질량에 더 가까운 별들은 여기 멀리 있는 별들보다 더 빠른 속도로 회전할 것입니다.

 

그래서 여러분이 예상할 수 있는 것은 만약 여러분이 별들의 궤도 속도를 측정한다면, 그것들은 안쪽보다 가장자리가 더 느릴 것입니다. 다른 말로 하자면, 속도를 거리의 함수로 측정한다면 -- 이 그래프만 보여드리겠습니다 -- 우리는 은하 중심으로부터의 거리가 증가함에 따라 속도가 내려갈 것으로 예상할 것입니다. 이러한 측정이 이루어졌을 때, 대신 속도가 기본적으로 일정하다는 것을 알 수 있습니다. 거리의 함수로써 말이죠. 만약 그것이 일정하다면, 그것은 여기 있는 별들이 우리가 보지 못하는 물질의 중력 효과를 느끼고 있다는 것을 의미합니다. 사실, 이 은하와 다른 모든 은하들은 이 보이지 않는 암흑 물질의 구름 속에 묻혀 있는 것처럼 보입니다. 그리고 이 물질 구름은 은하 자체보다 훨씬 더 구형이며 은하보다 훨씬 더 넓은 범위에 걸쳐 있습니다. 그래서 우리는 은하를 보고 거기에 집착하지만, 사실 암흑물질의 구름은 이 은하의 구조와 역학을 지배하고 있습니다.

 

은하 자체는 우주에 무작위로 흩어져 있는 것이 아니라 군집화되는 경향이 있습니다. 이것은 매우 유명한 머리털자리 은하단의 한 예입니다. 그리고 이 은하단에는 수천개의 은하가 있습니다. 희고 흐릿하고 타원형인 것들이에요 그래서 이 은하단들은 -- 우리가 지금 사진을 찍으면, 10년 안에 사진을 찍으면, 똑같아 보일 것입니다. 하지만 이 은하들은 매우 빠른 속도로 움직이고 있습니다. 은하단의 중력 전위 우물 안에서 움직이고 있습니다. 그래서 이 모든 은하들은 움직이고 있습니다. 우리는 이 은하들의 속도와 궤도 속도를 측정할 수 있고 이 은하단에 얼마나 많은 질량이 있는지 알아낼 수 있습니다.

 

그리고 다시, 우리가 발견한 것은 우리가 보는 은하들이 설명할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 질량이 그곳에 있다는 것입니다. 또는 전자기 스펙트럼의 다른 부분을 보면 이 은하단에도 많은 가스가 있다는 것을 알 수 있습니다. 하지만 그것 역시 질량을 설명할 수 없습니다. 사실, 이 보이지 않거나 어두운 물질의 형태로 일반 물질보다 10배 정도 많은 질량이 있는 것으로 보입니다. 우리가 이 어두운 물질을 조금 더 직접적으로 볼 수 있다면 좋을 것입니다. 저기 파란 방울을 붙여놨어요. 저기 있다는 걸 상기시켜드리기 위해서요. 좀 더 시각적으로 볼 수 있을까요? 네, 할 수 있어요.

 

그럼 어떻게 할 수 있는지 알려드리죠 여기 관찰자가 있습니다. 눈일 수도 있고 망원경일 수도 있습니다. 그리고 여기 우주에 은하가 있다고 가정해보세요. 저 은하를 어떻게 볼 수 있을까요? 한 줄기의 빛은 은하를 떠나 망원경이나 당신의 눈에 들어오기 전에 아마도 수십억 년 동안 우주를 여행합니다. 자, 은하가 어디에 있는지 어떻게 추론할 수 있을까요? 음, 우리는 광선이 우리의 눈에 들어오는 방향으로 이동한다고 추론합니다, 그렇죠?

 

우리는 빛이 이쪽으로 온다고 말하죠. 은하가 거기 있을 겁니다. 자, 제가 은하단을 가운데에 놓는다고 가정해봅시다. 그리고 암흑물질도 잊지 마세요. 자, 만약 우리가 다른 광선을 고려한다면, 이렇게 터지는 빛은 아인슈타인이 일반상대론을 개발했을 때 예측했던 것을 고려할 필요가 있습니다. 그리고 그것은 질량으로 인해 중력장이 입자의 궤적을 꺾을 뿐만 아니라 빛 자체를 꺾을 것이라는 것이었습니다.

 

그래서 이 광선은 일직선으로 계속되지 않고 오히려 휘어져서 우리 눈에 들어갈 수 있습니다. 이 관찰자는 은하를 어디에서 볼 수 있을까요? 대답할 수 있어요. 업이죠? 우리는 은하가 이 위에 있다고 거꾸로 추측합니다. 그 은하에서 관찰자의 눈에 들어오는 다른 빛은 없습니까? 네, 좋습니다. 사람들이 이렇게 내려가는 게 보여요. 그래서 한줄기의 빛이 아래로 내려가서 관찰자의 눈으로 휘어지면 관찰자는 여기서 한줄기의 빛을 볼 수 있습니다.

 

자, 이제 우리가 3차원의 우주에 살고 있다는 사실을 생각해보세요. 좋아요, 3차원의 공간. 눈에 들어갈 수 있는 다른 광선이 있나요? 네! 광선은 원뿔 위에 놓여있을 겁니다. 그래서 원뿔 위에 있는 모든 빛의 광선이 은하단에 의해 휘어져 관찰자의 눈으로 들어갑니다. 만약 내 눈에 원뿔 모양의 빛이 들어온다면, 나는 무엇을 볼 수 있을까요? 동그라미, 반지요 아인슈타인 반지라고 불려요 아인슈타인이 예측했어요 완벽한 고리가 될 수 있는 건 소스와 디플렉터, 안구가 완벽하게 일직선이어야 합니다. 만약 그것들이 약간 기울어져 있다면, 우리는 다른 이미지를 보게 될 것입니다.

 

자, 오늘 밤 리셉션에서 실험을 해보시면 어떤 모습일지 알 수 있습니다. 왜냐하면 우리가 고안할 수 있는 렌즈의 종류가 있다는 것이 밝혀졌기 때문에, 이런 효과를 낼 수 있는 적절한 형태를 가지고 있습니다. 우리는 이것을 중력 렌즈라고 부릅니다. 자, 이건 여러분의 악기입니다. 좋아요. 하지만 윗부분은 무시하세요. 베이스에 집중해 주세요, 네. 그래서 사실 집에서 와인잔을 깨뜨릴때마다 바닥부분을 저장해서 기계공장으로 가져갑니다. 깎으면 중력렌즈가 있어요 그래서 렌즈 모양을 잘 잡아주네요. 그래서 실험에서 다음으로 해야 할 일은 냅킨을 잡는 것입니다. 저는 그래프 종이 한 장을 잡았습니다. 저는 물리학자입니다. 냅킨이요 가운데에 작은 모형 은하를 그립니다. 이제 렌즈를 은하 위에 올려놓으면 고리가 보일 겁니다. 아인슈타인 고리가요. 기지를 옆으로 옮기면 고리가 호 모양으로 쪼개질 거예요 아무 이미지 위에나 올려놓으실 수 있습니다. 그래프 페이퍼에서 여러분은 그래프 페이퍼의 모든 선이 어떻게 왜곡되었는지 볼 수 있습니다. 다시 말하지만, 이것은 중력 렌즈에 어떤 일이 일어나는지에 대한 정확한 모델입니다.

 

자, 그럼 질문은 우리가 하늘에서 이걸 볼 수 있나요? 우리가 은하단을 볼 때 하늘에서 호를 볼 수 있을까요? 대답은 '그렇다'고요 여기 허블 우주 망원경의 사진이 있습니다. 여러분이 보고 있는 많은 이미지들은 허블 우주 망원경의 이전 이미지들입니다. 자, 먼저, 황금 모양의 은하들은 -- 그것들은 은하단에 있는 은하들입니다. 그것들은 암흑물질의 바다에 파묻혀있는 것들입니다. 빛의 굴곡을 야기시켜 배경 은하의 착시현상이나 신기루를 일으키는 것이죠. 그래서 여러분이 보시는 줄무늬들은 사실 훨씬 멀리 떨어져 있는 은하들의 왜곡된 이미지들입니다.

 

그래서 우리가 할 수 있는 것은, 우리가 그 이미지에서 보는 왜곡의 양에 기반하여, 우리는 이 은하단에 얼마나 많은 질량이 있어야 하는지를 계산할 수 있습니다. 그리고 그것은 엄청난 양의 질량입니다. 또한 눈으로 보면 이 호들이 개별 은하에 집중되어 있지 않다는 것을 알 수 있습니다. 그것들은 좀 더 넓게 퍼져있는 구조에 집중되어 있습니다. 그것은 은하단이 있는 암흑 물질입니다. 이것은 최소한 암흑물질의 영향을 맨눈으로 볼 수 있는 가장 가까운 것입니다.

 

좋아요, 그럼 당신이 따라하고 있는지 간단하게 검토해보죠. 그래서 우리가 우주의 4분의 1이 암흑물질이라는 증거를 가지고 있습니다. 중력적으로 끌어당기는 물질이죠. 은하는 은하를 공전하는 별들의 속도가 너무 크다는 것입니다. 암흑물질에 박혀있어야 합니다. 은하단 내의 은하들이 궤도를 도는 속도는 너무 큽니다; 그것은 암흑 물질에 포함되어 있어야 합니다. 그리고 우리는 중력렌즈 효과, 이런 왜곡을 볼 수 있습니다. 다시 말하지만, 성단은 암흑물질에 포함되어 있습니다.

 

자, 그럼 이제 암흑 에너지로 가볼까요? 그래서 암흑에너지에 대한 증거를 이해하기 위해서, 우리는 스티븐 호킹이 이전 세션에서 언급했던 것에 대해 토론할 필요가 있습니다. 그리고 그것은 우주 자체가 팽창하고 있다는 사실입니다.

 

그래서 만약 우리가 무한 우주의 한 부분을 상상한다면 -- 그래서 저는 네 개의 나선은하를 내려놓았습니다 -- 줄자를 내려놓았습니다. 그래서 여기 있는 모든 선은 줄자위에 해당합니다. 수평이든 수직이든 말이죠. 만약 여러분이 이것을 할 수 있다면, 여러분은 매일, 매년, 수십억 년을 지나며, 은하들 사이의 거리가 점점 멀어지고 있다는 것을 발견하게 될 것입니다. 그리고 그것은 은하들이 우주를 통해 서로에게서 멀어지고 있기 때문이 아닙니다. 그것들이 꼭 우주를 이동하는 것은 아닙니다. 우주 자체가 점점 커지고 있기 때문에 서로에게서 멀어지고 있습니다. 그것이 우주 또는 우주의 팽창이 의미하는 것입니다. 그래서 그들은 점점 멀어지고 있습니다.

 

스티븐 호킹이 언급한 것은 빅뱅 이후 우주가 매우 빠른 속도로 팽창했다는 것입니다. 하지만 중력적으로 끌어당기는 물질이 이 공간에 내재되어 있기 때문에 우주의 팽창을 늦추는 경향이 있습니다. 따라서 팽창은 시간이 지남에 따라 느려집니다. 그래서 지난 세기에 사람들은 우주의 팽창이 영원히 지속될지에 대해 논의했습니다. 우주의 팽창이 느려질지, 느려질지는 모르겠지만, 영원히 계속될지, 느려질지, 멈추어질지, 점증적으로 멈출지, 아니면 느려질지, 멈췄다가 다시 수축하기 시작합니다. 그래서 10여년 전에 두 그룹의 물리학자들과 천문학자들이 우주의 팽창 속도가 느려지는 속도를 측정하기 시작했습니다. 몇십억년 전에 비해 오늘날에는 얼마나 덜 팽창하고 있을까요?

 

이 질문에 대한 놀라운 대답은, 네, 이 실험들에서 나온 것입니다. 오늘날 우주가 몇 십억년 전보다 더 빠른 속도로 팽창하고 있다는 것입니다. 그래서 우주의 팽창은 실제로 빨라지고 있습니다. 이것은 완전히 놀라운 결과였습니다. 왜 이런 일이 일어나야 하는지에 대한 설득력 있는 이론적인 논쟁은 없습니다. 이런 일이 일어날지 아무도 미리 예측하지 못했습니다. 그것은 예상과는 정반대였습니다. 그래서 우리는 그것을 설명할 수 있는 무언가가 필요합니다. 수학에서는 에너지라는 용어로 표현할 수 있습니다. 하지만 우리가 지금까지 봐왔던 것과는 전혀 다른 종류의 에너지입니다. 우리는 그것을 암흑 에너지라고 부르는데, 그것은 공간을 팽창시키는 효과를 가지고 있습니다. 하지만 지금으로선 그걸 집어넣을 좋은 동기가 없어요 그래서 이걸 왜 넣어야 하는지 정말 설명이 안 됩니다.

 

자, 이 시점에서 제가 여러분께 정말 강조하고 싶은 것은, 먼저, 암흑물질과 암흑에너지는 완전히 다른 것이라는 것입니다. 우주의 대부분을 구성하는 두 가지 미스터리가 있습니다. 그리고 그것들은 매우 다른 영향을 미칩니다. 암흑 물질은 중력으로 끌어당기기 때문에 구조의 성장을 촉진하는 경향이 있습니다. 그래서 은하단은 이 모든 중력적인 인력 때문에 형성되는 경향이 있습니다. 반면에 암흑에너지는 은하들 사이에 점점 더 많은 공간을 두고, 은하들 사이의 중력에 이끌려서 구조의 성장을 방해합니다. 그래서 은하단과 같은 것들을 살펴봄으로써, 그리고 은하단의 수 밀도, 시간의 함수로서 얼마나 많은 것들이 있는지 우리는 암흑물질과 암흑에너지가 어떻게 구조를 형성하면서 서로 경쟁하는지 알 수 있습니다.

 

암흑물질에 관해서는, 암흑에너지에 대한 설득력 있는 논거가 없다고 말씀드렸습니다. 암흑 물질에 대한 것이 있나요? 대답은 '그렇다'고요 우리는 암흑 물질에 대한 동기 부여가 잘 된 후보들을 가지고 있습니다. 의욕이 넘친다는 게 무슨 뜻이죠? 제 말은 수학적으로 일관된 이론들이 있는데, 이 이론들은 전혀 다른 현상을 설명하기 위해 소개되었습니다. 제가 이야기해보지도 않은 것들 말입니다. 각각의 이론들은 매우 약하게 상호작용하는 새로운 입자의 존재를 예측합니다.

 

이것이 바로 물리학에서 여러분이 원하는 것입니다. 수학적으로 일관된 이론에서 예측이 나오는 것입니다. 실제로 다른 것을 위해 개발된 이론에서 말이죠. 하지만 둘 다 암흑물질 후보인지는 알 수 없습니다. 둘 중 한 명인지 누가 알겠어요? 아니면 완전히 다른 것일 수도 있습니다. 자, 우리는 이 암흑물질 입자들을 찾습니다. 왜냐하면, 결국 그것들은 여기 이 방에 있고, 문으로 들어오지 않았기 때문입니다. 그냥 아무거나 통과해요. 그것들은 건물을 통해, 지구를 통해 들어올 수 있습니다. 상호 작용이 전혀 없습니다.

 

그래서 그것들을 찾는 한 가지 방법은 암흑물질 입자가 통과해서 부딪히는 것에 극도로 민감한 탐지기를 만드는 것입니다. 그렇게 되면 결정체가 울릴 거예요 그래서 제 동료 중 한 명과 그의 동료들이 그런 탐지기를 만들었습니다. 그리고 그들은 미네소타의 철광 깊숙한 땅속 깊은 곳에 그것을 묻었습니다. 그리고 사실, 지난 며칠 동안 가장 민감한 결과를 발표했습니다. 그들은 아무것도 보지 못했습니다. 하지만 암흑물질 입자의 질량과 상호작용 강도에 한계가 있습니다.

 

올해 말에 인공위성 망원경이 발사될 예정입니다. 그리고 암흑물질 입자들이 감마선을 소멸시키고 만들어내는 것을 우리가 볼 수 있는지 알아보기 위해 은하 중앙을 바라볼 것입니다. 거대 강입자 충돌기, 입자 물리학 가속기, 올해 말에 켤 예정입니다. 거대 강입자 충돌기에서 암흑물질 입자가 생성될 수도 있습니다.

 

상호작용이 매우 적기 때문에 탐지기에서 탈출할 것입니다. 그래서 그들의 특징은 에너지 손실입니다. 불행히도, 에너지가 부족할 수 있는 새로운 물리학이 많이 있습니다. 그래서 차이를 구별하기는 어려울 것입니다. 그리고 마지막으로, 미래의 노력을 위해 특별히 암흑물질과 암흑에너지에 대한 질문을 해결하기 위해 고안된 망원경들이 있습니다. 지상망원경입니다. 그리고 암흑물질과 암흑에너지를 조사하기 위해 현재 경쟁 중인 우주기반 망원경 세 개가 있습니다. 그래서 중요한 질문의 관점에서 암흑물질이란 무엇일까요? 암흑에너지는 무엇일까요? 물리학이 직면한 큰 문제들 말입니다. 많은 질문들이 있으시리라 믿습니다. 제가 여기 있는 동안 72시간 동안 그 질문들을 다루기를 매우 고대하고 있습니다. 감사해요.