# A Dark Dimension Could Link Two of the Universe’s Great Unknowns  세상을 어둡게 보는 사람에게도 우주는 별다른 위안을 주지 않는 듯하다. 현재 추정에 따르면, 우주를 이루는 것의 약 70%는 공간 팽창을 밀어붙이는 정체불명의 힘인 암흑 에너지(dark energy)다. 나머지 약 25%는 은하를 하나로 붙들어 두는 수수께끼 같은 물질, 암흑 물질(dark matter)이다. 하지만 의미상으로 보자면, 암흑 에너지와 암흑 물질은 “어둡다”기보다 보이지 않는다고 하는 편이 더 정확하다. 이들은 빛을 방출하지도, 반사하지도, 흡수하지도 않는다. 지금까지 직접 관측하는 것도 불가능한 것으로 드러났다. 일반적으로 암흑 에너지와 암흑 물질은 별개의 존재로 여겨진다. 둘을 잇는 주된 공통점은 잡히지 않는다는 점뿐이라는 뜻이다. 그러나 최근 천문 관측은 과학자들이 덜 대중적인 한 가지 생각을 더 깊이 들여다보게 만들었다. 두 존재가 사실은 물리적으로 얽혀 있을 수 있다는 생각이다. 2024년, 암흑 에너지 분광 장비(Dark Energy Spectroscopic Instrument)로 알려진 연구팀 데시(DESI)는 암흑 에너지의 세기, 때로는 “우주상수(cosmological constant)”라고도 불리는 그것이 [본래 일정하다고 여겨졌던 성질을 잃었다는 증거](https://www.quantamagazine.org/dark-energy-may-be-weakening-major-astrophysics-study-finds-20240404/)를 내놓았다. 2025년에는 두 배가 넘는 데이터를 바탕으로 한 연구도 [암흑 에너지가 시간에 따라 변하고 있다](https://www.quantamagazine.org/is-dark-energy-getting-weaker-new-evidence-strengthens-the-case-20250319/)고 결론지었다. 이 결과는 약 20억 년 전 최대값에 도달한 뒤 암흑 에너지가 약해지기 시작했을 수 있음을 시사한다. 동시에 더 이른 시기에는 암흑 에너지가 오히려 더 강해졌을 가능성도 드러났다. 이는 에너지 보존 법칙을 겉보기에는 거스르는 현상이다. 연구자들은 이를 암흑 에너지가 “팬텀 구간(phantom regime)”에 들어간 것으로 설명한다. 공이 언덕 위로 굴러 올라가는 상황에 비유하기도 한다. 물론 그런 일은 가능하다. 다만 공이 중력 말고 다른 무언가의 영향을 받고 있을 때만 그렇다.  암흑 에너지 분광 장비(Dark Energy Spectroscopic Instrument) 팀이 만든 3차원 우주 지도 일부. 연결된 은하의 가닥들이 우리 우주의 구조를 이룬다. 점점 더 많은 이론가가 암흑 에너지에 영향을 미치는 것이 암흑 물질과의 연관성일 가능성을 살펴보고 있다. 캘리포니아대학교 어바인 캠퍼스의 입자물리학자 [팀 테이트](https://faculty.sites.uci.edu/tait/)는 과학자들이 암흑 에너지와 암흑 물질이 “서로 아무 관련이 없다”고 가정해 왔다고 말했다. 그러나 “한쪽이 다른 쪽에 영향을 미치는 경우를 상상할 수 있다”며, “둘이 암흑 우주에 관한 일종의 통일 이론(unified theory)의 발현일지라도 놀랄 일은 아니다”라고 덧붙였다. ## Dark Interactions 암흑 에너지와 암흑 물질이 상호작용한다는 생각은 새로운 것이 아니다. 예를 들어 펜실베이니아대학교의 물리학자 [저스틴 쿠리](https://live-sas-physics.pantheon.sas.upenn.edu/people/standing-faculty/justin-khoury)는 [2005년에 이 가능성을 연구했다](https://arxiv.org/abs/astro-ph/0510628). 쿠리는 당시 자신과 두 공동 저자가 하나의 가설적 질문을 던졌다고 설명했다. 시간이 흐르면서 에너지 밀도(energy density)가 증가하는 형태의 암흑 에너지가 있을 수 있을까? 그와 동료들은 암흑 에너지와 암흑 물질이 서로 영향을 줄 수 있다면, 팬텀 거동(phantom behavior)처럼 보이지만 실제로는 그렇지 않은 현상을 만들어낼 수 있음을 발견했다. 쿠리는 “이것이 그런 현상을 구현하는 가장 자연스럽고 단순한 방법”이라고 말했다. 그로부터 20년 뒤, 암흑 에너지가 실제로 시간에 따라 변할지 모른다는 데시의 결과가 나왔다. 이 결과에 자극받아 쿠리는 펜실베이니아대 동료 멍샹 린(Meng-Xiang Lin), 마크 트로든과 함께 입자물리학의 핵심 이론인 양자 색역학(quantum chromodynamics)의 암흑 부문(dark sector) 유사체를 바탕으로 암흑 상호작용 모델을 구성했다. 이 새 모델에서는 암흑 에너지의 에너지 밀도와 암흑 물질의 질량이 함께 변한다. 최근의 또 다른 연구도 비슷한 구상을 제시한다. 올해 1월 학술지 *Physical Review D*에 [실린](https://journals.aps.org/prd/pdf/10.1103/9lf2-33zf) 이 모델에 따르면, 우주 역사 속 더 이른 시기에 암흑 물질이 자기 에너지의 일부를 암흑 에너지로 넘겼을 수 있다. 프랑스 몽펠리에대학교의 우주론자이자 공동 저자인 엘사 테이셰이라는 “암흑 물질은 [우주의] 팽창을 제어하는 주된 브레이크”라고 말했다. 따라서 그 브레이크가 조금 느슨해지면 우주의 팽창은 더 가속됐을 것이다.  프랑스 몽펠리에대학교의 우주론자 엘사 테이셰이라는 암흑 에너지와 암흑 물질이 상호작용하는 우주론 모형을 연구했다. 사진 제공: Elsa Teixiera 프랑스 국립과학연구센터(CNRS)의 물리학자 다비드 앙드리오는 팬텀 거동이 나타나는 것은 기본적으로 장부 정리(bookkeeping)의 결과라고 말했다. 앙드리오는 2025년 5월 [자신의 결합된 암흑 에너지-암흑 물질 모델](https://arxiv.org/abs/2505.10410)을 발표했다. 그는 “암흑 물질 질량의 모든 변화나 진화가 암흑 에너지라는 상자에 집어넣어진 것”이라고 설명했다. 하버드대학교의 물리학자 [쿰런 바파](https://www.physics.harvard.edu/people/facpages/vafa)도 이에 동의했다. 그는 “암흑 물질과 독립적으로 암흑 에너지를 계산할 수 있다는 생각은 틀렸다”고 말했다. “우주론자들이, 그리고 데시 팀도 따랐던 그 가정 때문에 물리적으로 받아들일 수 없는 팬텀 거동이 나온 것이다.” 암흑 에너지와 암흑 물질의 연관성을 고려해야 하는 이유는 데시의 발견만이 아니다. 테이셰이라와 동료들의 최근 연구는 두 요소가 서로 상호작용하도록 허용하면, 적어도 일부 시나리오에서는 우주론에서 가장 오래된 난제 가운데 하나인 허블 긴장(Hubble tension)을 완화할 수 있음을 보여준다. 문제의 핵심은 허블 상수(Hubble constant)로 알려진 현재 우주의 팽창률이다. 이 값은 초기 우주에서 온 빛을 이용해 측정할 수 있다. 그 빛은 우주가 아주 이른 시기에 어떻게 팽창했는지 보여준다. 또 초신성(supernova)이라 불리는 폭발하는 별처럼 더 최근의 현상을 바탕으로 측정할 수도 있다. 이런 현상은 우주가 지금 어떻게 팽창하는지 알려준다.  이 초신성처럼, 허블 우주망원경 이미지 오른쪽 아래에 보이는 빛의 섬광을 연구하면 우주의 팽창률을 알 수 있다. NASA, ESA, A. Goobar(스톡홀름대학교), Hubble Heritage Team(STScI\_AURA) 표준 우주론 모형에 따르면 팽창률은 어떤 방법으로 측정하든 같아야 한다. 하지만 최근 몇 년 사이 과학자들은 초기 우주의 팽창률과 더 최근 우주의 팽창률이 약 9% 정도 다르다는 사실을 발견했다. 테이셰이라와 공동 저자들은 이 불일치, 즉 긴장이 “이 차이가 체계적 오차(systematic errors) 때문인지, 아니면 새로운 물리학(new physics)의 신호인지를 두고 우주론 공동체에서 격렬한 논쟁을 불러일으켰다”고 썼다. 이들의 모델은 암흑 에너지와 암흑 물질이 상호작용하는 세계에서는 서로 다른 팽창률이 위기를 뜻하는 것이 아니라 오히려 예상할 수 있는 결과가 된다고 본다. ## A Dark Dimension 쿠리는 암흑 에너지와 암흑 물질이 실제로 상호작용한다면, 둘이 공통된 기원을 가질 수 있다는 뜻일 수 있다고 말했다. 진행 중인 끈 이론(string theory) 연구는 이 개념들을 연결할 수 있는 한 가지 길을 시사한다. 끈 이론은 우리 우주가 가장 작고 근본적인 수준에서는 진동하는 끈으로 이루어져 있다는 생각이다. 2019년 바파와 두 공동 연구자는 끈 이론에서 암흑 에너지가 [본래 변하는 것](https://arxiv.org/pdf/1806.08362)이라는 아이디어를 바탕으로, 암흑 물질 입자의 질량도 시간에 따라 변할 수 있다고 [결론지었다](https://arxiv.org/pdf/1906.08261). 이를 바탕으로 그들은 [2022년](https://arxiv.org/abs/2205.12293)에 암흑 물질과 암흑 에너지가 이른바 [암흑 차원(dark dimension)](https://www.quantamagazine.org/in-a-dark-dimension-physicists-search-for-missing-matter-20240201/)과 연결돼 있을 수 있다고 제안했다. 끈 이론은 우리가 익숙한 공간 3차원과 시간 1차원 외에 추가로 6개 또는 7개의 차원이 존재한다고 본다. 이 차원들은 모두 물리적으로 가능한 한 가장 작은 크기, 즉 플랑크 척도(Planck scale)(10 ^-35미터)에 가까운 것으로 여겨진다. 그러나 연구자들은 암흑 차원은 다른 차원들보다 훨씬 더 클 수 있다고 제안했다. 그 크기는 마이크론(micron)(10 ^-6미터) 수준이다. 중력의 힘을 전달한다고 가정되는 이론적 입자, 중력자(graviton)는 이 커진 암흑 차원으로 새어 들어갈 수 있다. 그렇게 되면 질량을 얻게 되고, 이른바 암흑 중력자(dark graviton)가 된다. 이 거대한 중력자들은 암흑 차원에 머물겠지만, 그 중력 효과는 다른 차원에서도 느낄 수 있다. 따라서 보통 암흑 물질에 부여되는 역할을 이들이 대신할 수 있다. 이 시나리오에서는 “암흑 에너지와 암흑 물질 사이에 아주 자연스러운 결합(coupling)이 존재한다”고 시카고대학교의 물리학자 [조르주 오비에드](https://kavlicosmo.uchicago.edu/people/profile/georges-obied/)는 말했다. 암흑 차원의 크기가 변하면 암흑 에너지와 암흑 물질 모두에 영향을 미친다는 뜻이다. [2025년 7월 논문](https://arxiv.org/abs/2507.03090)에서 오비에드와 바파, 그리고 프린스턴의 알렉 베드로야, 하버드의 데이비드 우는 2019년에 제안된 이 시나리오가 데시 데이터와 들어맞는다는 사실을 보였다. 이 모델은 암흑 에너지의 세기와 암흑 물질의 질량이 시간이 지나며 감소하고, 암흑 에너지가 변하는 속도는 그 에너지 밀도에 비례할 것이라고 예측한다. 천체물리학적 측정에 따르면 암흑 에너지의 에너지 밀도는 극도로 작기 때문에, 바파의 말대로 “빠르게 변하지는 않을 것”이다. 그는 “우리가 지금까지 이를 보지 못한 것도 놀랄 일은 아니다”라고 말했다. 변화율이 워낙 미세하기 때문이다. “그처럼 작은 것을 감지하려면 우주의 전체 나이만큼 기다려야 했다.” 암흑 물질이 암흑 에너지와 결합돼 있다면, 암흑 물질 입자들은 중력과는 별개의 새로운 장거리 힘(long-range force)을 통해 서로 상호작용할 수도 있다. 오비에드는 반가운 점이 하나 있다고 말했다. “이를 시험할 천체물리학적 방법이 있을 수 있다”는 것이다. 공교롭게도 두 물리학자, 현재 존스홉킨스대학교에 있는 [마크 카미온코프스키](https://physics-astronomy.jhu.edu/directory/marc-kamionkowski/)와 현재 텍사스대학교 댈러스 캠퍼스에 있는 마이클 케스든은 이미 그런 시험 가운데 하나를 살펴본 바 있다. 2006년에 발표한 [논문](https://arxiv.org/abs/astro-ph/0606566)에서 두 사람은 두 은하가 서로 가까이 다가오고, 한 은하의 중력이 다른 은하를 잡아당기는 일련의 사건을 상상했다. 만약 암흑 물질이 보통 물질보다 다른 암흑 물질에 더 강한 중력적 인력을 가진다면, 한 은하 뒤로 특수한 형태의 “조석 꼬리(tidal tail)”가 형성될 것이다. 이는 별과 가스, 먼지가 길게 늘어진 구조다. 케스든과 카미온코프스키는 이 효과를 찾았지만 발견하지 못했다. 그 덕분에 추가적인 인력의 가능한 세기에 상한값(upper bound)을 정할 수 있었다. 그 상한은 바파 팀이 제안한 수치보다 약 20배 컸다. 따라서 예측값은 관측 상한 안에 충분히 들어갔다. 카미온코프스키는 “상당히 추상적인 그 연구와 관측 및 실험 연구 사이의 연결고리를 지금 우리가 발견하고 있다는 점이 흥미롭다”고 말했다. 끈 이론 계산에 바탕을 둔 예측이 천체물리학적 증거와 대체로 맞아떨어진다고 해서 이런 “끈 이론적(stringy)” 모델의 타당성이 입증되는 것은 아니다. 하지만 끈 이론과 실험 사이에 어떤 대응이라도 생긴다면, 지난 40년 동안 이 이론을 순전히 개념적 영역에서 끌어내어 검증 가능한 예측을 만드는 수준으로 발전시키려 애써 온 바파에게는 반가운 일이다. 바파의 옛 박사과정 제자 가운데 한 명인 오비에드도 같은 목표를 품고 있다. 그는 암흑 에너지와 암흑 물질, 그리고 둘 사이에 있을지 모를 관계를 이해하는 일은 벅찬 문제라고 말했다. “그래서 저는 이 문제에 여러 방식으로 접근하는 것이 매우 유익하다고 생각합니다.” 관측 우주론이든, 입자물리학이든, 끈 이론이든 모두 그렇다. 오비에드는 “사람들은 이렇게 과학을 해야 한다”고 말했다. “제 말은, 가능한 모든 것을 탐구하고 모든 가능성을 테이블 위에 올려놓는 것이 이론물리학자의 일이라는 뜻입니다. 그리고 결국에는 데이터가 우리가 무엇이 맞는지 결정하도록 도와줄 겁니다.”