암흑 물질이란 무엇인가, 신비에 싸여 있는 가상의 물질인가?

 암흑 물질이란 무엇인가, 신비에 싸여 있는 가상의 물질인가?

 

 

 

밤하늘에 빛나는 별들을 비롯하여, 성운, 은하라는 천체는 우리 자신의 눈이나 망원경, 위성 등을 사용하여 관찰할 수 있다. 그러나 우리의 눈에 보이는 존재가 우주의 모든 것은 아니다. 우주에 존재하는 물질과 에너지 중 약 27%는 "암흑물질(dark matter)"이라고 불리는 가설상의 물질이고 약 68%는 "암흑에너지(dark energy)"라고 불리는 가설상의 에너지이다. 우리가 인식하는 통상 물질은 나머지 5 %에 불과하다고 한다. 미지의 물질 암흑물질은 우주와 소립자의 수수께끼를 해명하는 열쇠가 되어서 전 세계의 연구자들은 그것을 탐구하고 있다.

 

암흑 물질이 존재한다는 증거

 

암흑 물질은 전자파 (가시광선, 전파, 엑스레이 등)를 방출하지 않으므로 망원경으로 관찰 할 수 없지만 질량이 있기 때문에 통상의 물질에 중력을 개입시켜 영향을 미치게 한다. 그런 때문에 아래와 같은 중력이 일으키는 현상에 의하여 그 존재가 추측되고 있다.

1) 은하의 둘레를 회전하고 있는 물체에는 회전의 중심에서 멀리 떨어지는 방향으로 원심력이 작용한다. 은하의 중심을 공전하고 있는 원반부의 별들도 마찬가지로 원심력은 은하의 회전 속도가 빠를수록 강해진다. 이 원심력과 은하에 존재하는 물질에 의한 중력이 균형에 맞아서 공전하는 별들은 은하에서 떨어지는 일 없이 둘레에 있게 된다. 그런데 은하의 회전속도를 실제로 측정해보면 은하를 구성하고 있는 항성의 질량에서 산출된 균형 잡힌 값과 비해서 꽤 빠르다. 이 회전속도에 따른 원심력과 균형을 맞아떨어지게 하려면 실제로 빛나는 항성(통상의 물질) 이외로 큰 질량을 가진 <무엇>인가의 존재가 불가결이다. 그래서 빛(전자파)을 발하지 않는 물질 곧 암흑물질이 대량으로 존재한다고 생각되고 있다.

2) 중력 렌즈 효과의 또 다른 중요한 단서는 "중력 렌즈"이다. 중력 렌즈란 원방의 천체(은하등)와 우리들 사이에 있는 다른 은하나 은하단의 중력에 의하여 원방의 천체가 발하는 빛의 진행 방향이 꾸부려지는 것으로 원방의 천체의 상이 왜곡되어 보이는 현상이다. 중력렌즈에 의한 효과는 밤하늘의 복수의 방향으로 같은 은하의 모습이 보이는 사상으로 관측할 수가 있다. 원방의 천체와 우리들 사이에 있는 은하, 은하단의 질량이 클수록 원방의 천체를 발한 빛이 꾸부러지는 방법도 커진다. 암흑물체를 직접 볼 수는 없지만 천체의 모습이 왜곡되어 보이는 모양을 상세히 관측함으로써 중력렌즈효과를 가져오는 은하나 은하단에 존재하는 암흑물체의 질량을 추정할 수가 있는 것이다.

 

신비에 싸인 암흑 물질의 정체성

 

은하의 회전 속도나 중력 렌즈 효과의 관측결과를 기초하여, 우리는 암흑물질이 존재한다는 것을 알 수 있다. 그렇다면 암흑물질은 무엇으로 되어 있는 것일까? 암흑물질의 정체에 대해서는 몇 가지 가설이 세워져 있는데, 현재 유력시하고 있는 것은 <미 발견 소립자>이다.

이론상으로 존재가 예상되고 있지만 발견되지 않은 소립자는 몇 개가 있어서 그 중의 어느 것이 암흑물질이 아닌가 하고 생각되고 있다. 예를 들면 도쿄대학우주선연구소의 <XMASS> 실험에서는 <약하고 상호작용하는 무게가 있는 입자>를 의미하는 <Wimps(weakly interacting massive particles)>의 1종 <nutrrino>와 <액시온>이라는 암흑물질 후보의 소립자를 검출하기 위한 데이터 수집이 2019년 3월까지 행해졌다. 또 과거에는 혹성이나 소혹성, 백색왜성, 갈색왜성, 중성자성 거기에 블랙홀이라는 그다지 빛을 내지 않은(전자파를 내지 않는) <어두운 천체>가 암흑물질의 후보로서 검토되었었다. 특히 은하를 둘러싼 희박한 영역 <하로>에 존재하는 보기 어려운 천체는 <MACHO>(Massive Compact Halo Object, Massive Astrophysical Compact Halo objet)>라 불리어 탐색이 행해졌으나 현재는 암흑물질에서 MACHO가 차지하는 비율은 적을 것으로 예상되고 있다.

 

우주의 대규모 구조와 암흑물질

 

현재 우주는 은하의 집단인 <은하집단>이 연이어진 필라멘트상의 구조와 은하가 희박한 영역 <공동>이 복잡하게 얽혀져서 그물 눈 모양의 구조를 하고 있다. <우주의 대규모 구조>라 불리는 이 구조는 다음과 같이 형성된 것이 아닌가 하고 추측되고 있다. 초기 우주에 존재했던 약간의 <흔들림>을 바탕으로 암흑 물질의 밀도에도 흔들림이 생긴다. 밀도가 높은 부분은 다시 더 많은 암흑물질을 끌어당겨서 그 중력에 의하여 통상의 물질인 가스가 차차 이끌린다.

이윽고 모여진 가스에서 최초 세대인 별들이나 은하가 형성되게 되어 은하는 성형성(星形成) 활동이나 충돌, 합체를 거쳐서 성장하고 현재에 이른다고 한다. 이처럼 현재 관측되고 있는 우주의 거대한 구조나 그 성립에는 암흑물질이 밀접하게 관계하고 있다고 생각되고 있다.

 

출처=news.yahoo.co. jp > articles