암흑물질 우주의 다크나이트

"우주를 연구하던 과학자들은 이상한 점을 느끼기 시작했다. 우주에 존재하는 천체들이 움직이거나 일어나는 현상들이, 눈에 보이는 천체들이 가지는 질량에 의해서 움직이는 것보다도 더 빠르게 운동했기 때문입니다. 과학자들은 눈에 보이는 천체들의 질량 이외의 보이지 않는 질량이 있는 건 아닐까 고민하기에 이르렀고, 암흑물질(dark matter)이라는 개념을 도입하기에 이르게 된다."

 

출처 : NASA/JPL-Caltech/L

 

이번 포스팅에서 알아볼 내용은, 아직까지 직접 확인된 바는 없지만 온 우주에 존재하면서 존재감을 드러내는 미지의 물질인 암흑물질입니다.

 

 

암흑물질이란?

 

이 물질이 가지는 질량에 의해 생기는 중력으로 우주 곳곳에 있다는 것은 간접적으로 알 수 있지만, 아직까지 직접적으로 확인하지는 못한 미지의 물질이다. 다른 물질과 상호작용을 거의 하지 않아서, 전자기파를 포함한 여러 가지 방법으로는 검출되지 않는다. 

 

암흑물질에 대한 여러 가지 사실들

 

중력이 생기려면 질량이 존재해야 한다. 어떤 물질이나 전자기파가 중력에 영향을 받는다고 하면, 그 중심에는 질량을 가지는 어떤 물질이 존재해야 한다. 하지만 우주의 여러 천체와 운동들을 실제로 확인해보면, 계산한 질량만큼의 물질이 존재하는 경우가 많지 않다. 실제로 암흑물질이 존재한다고 추정되는 위치에는, 암흑물질이 만드는 중력으로 다른 천체들의 운동에 영향을 끼치거나 중력 렌즈 효과로 빛이 이동하는 길을 휘게 하기도 한다. 하지만 아직까지 직접적으로 확인한 적은 없기 때문에, 광학적 계산 값과 중력 효과를 통해서 계산한 값과 많은 차이를 만드는 것으로 간접적으로만 확인할 뿐이다. 또한, 직접적으로 관측한 적은 없지만 현재 과학계에서 정설로 받아들여지며, 아직 우리 과학 수준으로 발견하지 못한 입자일 것으로 추정된다.

 

'그런데 이 암흑물질이 왜 중요한가?'에 대한 의문을 가질 수도 있다. 하지만, 이 암흑물질의 존재 여부가, 우리가 살고 있는 이 우주의 미래 운명을 결정짓는 요인이기 때문에 중요하게 받아들여지고 있다. 우주 전체 질량의 상당 부분을 차지하고 있다고 받아들여지는 암흑물질이 실제로 존재한다면, 현재 일어나고 있는 우주의 팽창을 언젠가는 멈추거나 수축으로 돌릴 수도 있다. 반대로 암흑물질이 존재하지 않는다면, 지금 우리가 확인한 물질이 가진 질량으로는 우주 팽창을 막을 수 없기 때문에 우주는 영원히 팽창하게 될 것이기 때문이다. 

 

 

 

별의 커비에 나오는 다크매터. 암흑물질이 주는 신비함 때문에 여러 곳에서 이름이 쓰인다

암흑물질의 존재를 뒷받침하는 증거들

 

 

암흑물질이 존재한다고 주장하는 천문학자들이 제시하는 증거 중에서 간단하게 설명할 수 있는 증거 세 가지를 소개하겠다. 

 

1. 균일 우주 배경 복사에 관한 것

 

과거 과학자들은 우주가 균일하다고 생각했었다. 하지만 여러 연구결과를 통해서 우주의 물질과 에너지의 분포는 불균일하다는 사실을 알아내게 되었다. 현재 불균일한 우주 배경 복사에 대한 현대 과학의 관측 결과는, 암흑물질이 있다고 가정했을 때 설명이 가능하다.

 

2. 은하에 속한 천체의 회전 속도 

 

나선 은하에서 우리가 관측할 수 있는 천체들의 질량을 통해서 물질 분포를 분석해보았을 때, 은하 중심부에(보통은 블랙홀이 존재한다) 은하 질량의 대부분이 존재하는 것으로 파악된다. 정말 그렇다면 은하가 회전할 때, 은하 중심부에 근접한 천체 군의 회전 속도는 빠르고, 은하 중심부에서 멀어질수록 천체 군의 회전 속도는 줄어들어서 둘의 차이가 생겨야 한다. 하지만 실제로는 우리가 계산한 대로 운동하지 않고 천체가 은하의 중심부에 있든 은하의 외곽에 있든 둘의 회전 속도는 큰 차이를 보이지 않는다. 따라서 이런 관측을 통해서, 눈에 보이지 않는 질량을 가지는 물질들이 은하에 균일하게 분포하고 있을 것이라고 추정하는 것이다.

 

나선 은하, 은하의 중심부의 회전속도와 외곽의 회전속도는 큰 차이가 없다.

 

3. 중력 렌즈 효과를 통한 계산

 

중력 렌즈 효과란, 아주 큰 중력을 가진 천체가 주변의 시공간을 휘게 만들어서, 빛의 경로까지 휘어 보이게 만드는 것이다.(중력 렌즈 효과로 관측한 천체의 위치와 중력 렌즈 효과를 받지 않고 관측한 천체의 위치는 차이가 있다) 그런데, 관측할 수 있는 천체들로 계산한 중력의 크기와, 실제 중력 렌즈 효과에 휘어진 빛의 경로를 통해서 확인한 중력의 크기와는 차이가 존재한다. 따라서 암흑물질(때문에 생긴 중력)이 존재한다고 간접적으로 확인하는 것이다. 

 

중력 렌즈 효과에 의해서 빛의 경로가 휘어지는 상상도