암흑 물질에 대한 과학자들의 고찰

보이지 않는 암흑 물질

우주 질량의 약 80%는 과학자들이 직접 관찰할 수 없는 물질로 이루어져 있다. 암흑물질로 알려진 이 이상한 성분은 빛이나 에너지를 방출하지 않는다. 그렇다면 과학자들은 왜 그것이 지배적이라고 생각할까? 적어도 1920년대부터 천문학자들은 우주에는 육안으로 볼 수 있는 것보다 더 많은 물질이 포함되어 있다고 가정해 왔다. 이후 암흑물질에 대한 지지가 커졌고, 암흑물질에 대한 확실한 직접적인 증거는 포착되지 않았지만 최근 몇 년 동안 강력한 근거가 있었다.

예일 대학의 연구원인 피터 반 도쿰은 별들의 움직임이 얼마나 많은 물질이 있는지를 말해준다고 한다. 반 도쿰은 거의 암흑 물질로 구성된 '드래곤 44' 은하를 식별하는 팀을 이끌었던 경력이 있다. 그에 따르면, 암흑 물질은 어떤 형태이든 상관없이 우주에 존재한다고 한다. 우주의 친숙한 물질인 바이런 물질은 양성자, 중성자, 전자로 구성되어 있다. 암흑 물질은 바이런 또는 비바이런 물질로 만들어질 수 있다. 우주의 원소들을 하나로 묶기 위해서 암흑 물질은 우주의 약 80%를 차지해야 한다. 사라진 물질은 단순히 규칙적이고 편협한 물질로 이루어진 것을 발견하는 것이 더 어려울 수 있다. 잠재 후보로는 엷은 갈색 왜성, 백색 왜성, 중성자별 등이 있다. 초거대 블랙홀도 그 차이의 일부일 수 있다. 그러나 이렇게 발견하기 어려운 물체들은 과학자들이 사라진 질량을 보충하기 위해 관찰한 것보다 더 지배적인 역할을 해야 할 것이고, 반면에 다른 요소들은 암흑 물질이 더 이국적이라고 암시한다.

대부분의 과학자들은 암흑물질이 비바리성 물질로 구성되어 있다고 생각한다. 선두 후보인 WIMPS는 양성자 질량의 10배에서 100배에 이르지만 '정상' 물질과의 약한 상호작용은 암흑물질을 탐지하기 어렵게 한다. 중성미자보다 무겁고 느린 거대한 가상의 입자인 중성미자가 아직 발견되지는 않았지만 가장 유력한 후보이고 또 다른 후보는 무균 중성미자다. 중성미자는 정규 물질을 구성하지 않는 입자다. 중성미자의 강은 태양으로부터 흐르지만 정상적인 물질과 거의 상호작용하지 않기 때문에 지구를 통과한다. 알려진 중성미자는 세 종류가 있다. 네 번째, 무균 중성미자는 암흑물질 후보로 제안된다. 무균 중성미자는 중력을 통해서만 정규 물질과 상호작용할 수 있다.

암흑 물질은 은하단이 섬유가 교차하는 노드에서 형성되는 네트워크 같은 패턴으로 우주 전역에 퍼져 있는 것으로 보인다. 중력이 태양계 안팎에서 같은 작용을 한다는 것을 확인함으로써, 연구원들은 암흑물질과 암흑에너지의 존재에 대한 추가적인 증거를 내놓았다. 미시간 주립 대학의 물리 및 천문학 부교수이자 아이스큐브 실험의 공동 연구자인 타이스 드 영은 중요한 질문 중 하나는 각각의 중성미자 종에 들어가는 단위에 패턴이 있느냐 하는 것이라고 말했다. 작은 중성 축과 충전되지 않은 광자(둘 다 이론적인 입자)도 암흑 물질의 잠재적인 자리 표시자이다. 이탈리아 그란사소 국립연구소는 성명에서 여러 천문학적 측정이 암흑물질의 존재를 확증해 매우 민감한 검출기에서 암흑물질 입자와 일반물질의 상호작용을 직접 관찰하기 위한 전 세계적인 노력을 이끌어냈으며, 이는 암흑물질의 존재를 확인하고 빛을 떨어뜨릴 것이라고 밝혔다. 하지만 이런 상호작용은 너무 미약해서 지금까지 직접적인 발견을 피해왔기 때문에 과학자들은 점점 더 민감한 탐지기를 만들 수밖에 없다. 또는 지금까지 태양계 내에서 물체의 움직임을 성공적으로 설명한 중력의 법칙에 따라 수정이 필요할 수도 있다.

과학자들은 암흑 물질의 움직임을 연구함으로써 우주에 있는 큰 물체의 질량을 계산한다. 1970년대 나선은하를 조사한 천문학자들은 중심부의 물질이 바깥쪽 가장자리보다 더 빨리 움직이는 것을 볼 수 있을 것으로 예상했다. 대신, 그들은 두 위치의 별들이 같은 속도로 이동한다는 것을 발견했고 은하들이 볼 수 있는 것보다 더 많은 질량을 포함하고 있다는 것을 보여주었다. 타원은하 내의 가스에 대한 연구는 또한 가시적인 물체에서 발견되는 것보다 더 많은 질량이 필요하다는 것을 보여주었다. 만약 은하단이 포함된 단 하나의 질량이 전통적인 천문학적 측정으로 보인다면 은하단은 산산조각 날 것이다.

알버트 아인슈타인은 우주의 거대한 물체가 빛을 굴절시키고 왜곡시켜 렌즈로 사용할 수 있다는 것을 보여주었다. 빛이 은하단에 의해 어떻게 왜곡되는지를 연구함으로써 천문학자들은 우주에서 암흑 물질의 지도를 만들 수 있었다. 이 모든 방법들은 우주에 있는 대부분의 물질이 아직 보이지 않는 것이라는 강력한 증거를 제공한다. 암흑물질은 보통 물질과 다르지만, 특이한 물질을 감지하기 위한 많은 실험이 있다. 국제우주정거장의 민감입자탐지기인 알파자기분광계(AMS)는 2011년 설치 이후 가동 중이다. 지금까지 AMS는 탐지기에서 1000억 개 이상의 우주선을 추적했다고 매사추세츠 공과대학의 노벨상 수상자인 새뮤얼 팅이 말했다. 그는 양전자의 과잉을 측정했는데, 이 초과량은 암흑 물질에서 발생할 수 있다고 한다. 하지만 지금 이 순간에도, 그것이 이상한 천체물리학적 출처가 아닌 암흑물질로부터 온 것인지 확인하기 위해 더 많은 자료가 필요하다. 더 많은 자료를 위해서는 몇 년이 더 걸릴 것이다.

지구로 돌아가서, 이탈리아의 한 산 아래, LNGS의 제논1T는 WIMP가 제논 원자와 충돌한 후 상호 작용의 징후를 찾고 있다. 연구소는 최근 이 실험의 첫 번째 결과를 발표했다. 프로젝트 대변인인 엘레나 에이프릴 컬럼비아대 교수는 지구의 초저배경 거대탐지기로 암흑물질을 탐지하는 새로운 단계가 제논1T로 막 시작되었다고 말했다. 사우스다코타주의 한 금광에 착석한 대형 지하 제논 암흑물질 실험(LUX)도 WIMP와 제논 상호작용의 징후를 찾고 있다. 하지만 지금까지 그 장치는 그 불가사의한 문제를 밝히지 못했다. 긍정적인 신호가 왔을지도 모르지만 자연은 그렇게 친절하지 않았을 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 무효 결과는 암흑 물질이 이전에 존재했던 그 어떤 것보다도 더 클 수 있는 것에 대한 모델을 제한함으로써 그 분야의 지형을 변화시키기 때문에 중요하다.

남극 대륙의 얼음 밑에 묻힌 실험인 아이스큐브 뉴트리노 천문대가 무균 중성미자를 찾고 있다. 무균 중성미자는 중력을 통해서만 일반 물질과 상호작용하며 암흑 물질의 강력한 후보가 된다. 다른 장치들은 암흑 물질의 효과를 찾고 있다. 유럽 우주국의 플랑크 우주선은 2009년 발사된 이후 우주의 지도를 만들고 있다. 우주의 질량이 어떻게 상호작용하는지 관찰함으로써, 우주선은 암흑물질과 그것의 파트너인 암흑에너지를 조사할 수 있다. 2014년, NASA의 페르미 감마선 우주 망원경은 은하수의 심장부를 감마선 빛으로 나타낸 지도를 제작하여 중심핵에서 감마선 방출의 과잉을 밝혀냈다. 일리노이주 페르밀라브의 천체물리학자인 댄 후퍼는 우리가 발견한 신호는 현재 제안된 대안으로는 설명할 수 없으며 매우 단순한 암흑물질 모델의 예측과 밀접하게 일치한다고 말했다. 그 초과분은 질량이 31~400억 볼트인 암흑물질 입자의 전멸로 설명될 수 있다고 연구원들은 말했다. 그 결과 그 자체로는 암흑물질에 대한 흡연총으로 간주되기에는 충분하지 않다. 해석을 검증하려면 다른 관찰 프로젝트 또는 직접 감지 실험의 추가 데이터가 필요할 것이다.

비록 암흑 물질이 우주의 대부분을 차지하고 있지만, 암흑 물질은 우주 전체 구성의 약 4분의 1밖에 차지하지 않는다. 우주의 에너지는 암흑에너지에 의해 지배된다. 빅뱅 이후, 우주는 바깥쪽으로 팽창하기 시작했다. 과학자들은 한때 중력이 그 안에 있는 물체들을 서로 끌어당기면서 결국 에너지가 고갈되어 속도가 느려질 것이라고 생각했다. 그러나 멀리 떨어진 초신성에 대한 연구는 오늘날 우주가 과거보다 더 빠르게 팽창하고 있다는 것을 밝혀냈고, 이는 우주 팽창이 가속화되고 있음을 보여준다. 이것은 우주가 중력을 극복할 수 있는 충분한 에너지, 즉 암흑 에너지를 가지고 있을 때만 가능할 것이다.