청소년을 위한 교양 물리학: 암흑 물질

루미너리북스 교육출판 에디팅 팀 지음

루미너리북스 2025년 06월 12일 출간

작품소개

책소개

우리가 보고 만질 수 있는 모든 물질은 우주 전체의 겨우 5퍼센트에 불과하다. 나머지 95퍼센트는 우리 눈에 보이지 않는 신비한 존재들로 채워져 있다. 그 중에서도 27퍼센트를 차지하는 암흑 물질은 빛을 내지도 흡수하지도 않으면서 우주의 모든 구조를 만드는 숨은 주역이다. 이 책은 1933년 프리츠 츠비키가 처음 발견한 잃어버린 질량 문제부터 현재 세계 곳곳에서 진행되는 최첨단 탐지 실험까지, 암흑 물질을 둘러싼 모든 이야기를 중학생도 이해할 수 있도록 풀어낸다. 복잡한 수식 대신 생생한 비유와 구체적인 사례를 통해 현대 물리학의 가장 큰 미스터리를 탐험하는 여행에 독자를 초대한다.

1970년대 베라 루빈이 안드로메다 은하를 관측했을 때 발견한 놀라운 사실은 은하 외곽의 별들이 예상보다 훨씬 빠르게 움직인다는 것이었다. 뉴턴의 중력 법칙에 따르면 은하 중심에서 멀어질수록 별들은 더 느려져야 했지만, 실제로는 그렇지 않았다. 이는 보이지 않는 거대한 질량이 은하 전체를 감싸고 있다는 증거였다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 예측한 중력 렌즈 효과와 우주 마이크로파 배경복사 관측, 그리고 빅뱅 핵합성 이론까지 모든 증거들이 같은 결론을 가리킨다. 이 책은 이러한 관측 증거들을 차근차근 따라가며 암흑 물질의 존재가 어떻게 확실해졌는지 보여준다.

전 세계 과학자들은 암흑 물질의 정체를 밝히기 위해 지하 깊은 곳에 극저온 검출기를 설치하고, 우주에서 오는 고에너지 입자들을 분석하며, 거대한 입자 가속기에서 새로운 입자를 만들려고 시도한다. 동시에 슈퍼컴퓨터로 우주 전체의 진화를 시뮬레이션하여 암흑 물질이 어떻게 은하와 별들의 탄생을 도왔는지 재현한다. 초대칭 입자부터 여분 차원 속 숨겨진 입자들, 태초의 블랙홀까지 다양한 후보들이 제시되고 검증되는 과정을 통해 현대 과학의 방법론과 사고 과정을 생생하게 체험할 수 있다. 때로는 기존 중력 이론 자체를 수정하려는 대담한 시도들도 소개하며 과학적 사고의 유연성을 보여준다.

암흑 물질의 발견은 단순히 새로운 입자 하나를 찾는 일이 아니다. 우주가 어떻게 시작되어 현재의 모습이 되었는지, 그리고 앞으로 어떤 운명을 맞게 될지를 이해하는 열쇠다. 이 미스터리가 풀리는 순간 인류의 우주관은 또 한 번 근본적으로 바뀔 것이다. 제임스 웹 우주망원경의 새로운 관측 결과와 인공지능을 활용한 데이터 분석 기법, 그리고 차세대 검출기들의 등장으로 해답에 한 걸음씩 다가가고 있는 현재 상황도 상세히 다룬다. 21세기 물리학의 가장 큰 도전 과제인 암흑 물질 연구에 한국 과학자들도 적극 참여하고 있으며, 다음 세대가 이어받아야 할 과학적 유산의 의미를 되새기게 한다.

목차

1. 우주의 숨겨진 비밀, 암흑 물질의 발견
2. 은하가 흩어지지 않는 이유, 회전 곡선의 수수께끼
3. 빛이 휘어지는 우주, 중력 렌즈로 본 암흑 물질
4. 우주 최초의 메아리, 마이크로파 배경복사의 증언
5. 원자의 탄생 이야기, 빅뱅 핵합성과 물질의 한계
6. 우주 거대 구조의 설계도, 암흑 물질과 구조 형성
7. 보이지 않는 입자들의 후보, WIMP와 초대칭
8. 지하 깊은 곳의 사냥꾼들, 직접 탐지 실험
9. 우주에서 온 신호 찾기, 간접 탐지의 도전
10. 입자 가속기 속 암흑 물질, LHC의 새로운 물리학
11. 컴퓨터 속 가상 우주, N체 시뮬레이션의 세계
12. 거대한 중력 감옥, 은하단 속 암흑 물질
13. 작은 은하의 큰 문제, 왜소 은하 수수께끼
14. 암흑 물질 덩어리의 속살, 밀도 분포의 비밀
15. 서로 상호작용하는 암흑 물질, SIDM 이론
16. 대칭성의 아름다운 확장, 초대칭 이론
17. 숨겨진 차원의 세계, 여분 차원과 암흑 물질
18. 유령같은 중성미자의 형제, 스테라일 중성미자
19. 태초의 블랙홀들, 원시 블랙홀 가설
20. 중력 법칙을 바꾸자, 수정 중력 이론
21. 우주를 가속시키는 힘, 암흑 에너지와의 관계
22. 우주의 성분표, 우주론적 매개변수들
23. 미래의 암흑 물질 사냥꾼들, 차세대 실험
24. 우주 진화의 숨은 주역, 암흑 물질의 역할
25. 다른 길을 찾아서, 암흑 물질 대안 이론들
26. 지금 이 순간의 발견들, 최신 연구 동향
27. 암흑 우주의 미래, 인류가 풀어야 할 숙제

작가정보

저자(글) 루미너리북스 교육출판 에디팅 팀

루미너리북스 교육 출판 에디팅 팀은 전문 교육 콘텐츠 기획자와 편집자들로 구성되어, 학생들의 눈높이에 맞춘 양질의 교육 도서를 제작하는 데 전념하고 있다. 각 분야별 전문가들과의 긴밀한 협업을 통해 정확하고 이해하기 쉬운 교육 콘텐츠를 개발하며, 특히 고등학생을 위한 대학 과목 선행학습 시리즈와 같은 혁신적인 교육 도서를 기획하고 있다.