여전히 단 5%만 우리는 알고 있다. 암흑 물질을 찾아서 (1), 역학질량

아직도 우리가 우주에 대해 모르는 것이 많다. 

 

암흑 물질 Black Matters 이라고 불리는 신비한 물질의 존재와 구성을 이해하는 것은 오늘날 과학자들이 직면하는 주요한 도전 중 하나이다. 암흑 물질이 무엇으로 구성되어 있는지에 대한 많은 이론들이 있지만, 우리는 여전히 암흑 물질의 본질을 이해하지 못하고 있다. 그런 것이 존재하는지 어떻게 알 수 있을까?

 암흑 물질을 연구하는 가장 큰 어려움은 우리가 암흑 물질을 볼 수 없다는 것이다.

과학자들이 암흑 물질의 존재를 예측하기 위해 가정과 이론을 바탕으로 어떻게 관측 하는지 그리고 왜 암흑 물질이 이 우주 구석구석에 퍼져 있다고 생각하는지에 대해 알아본다.

 

우주의 구성, 단 5%만 알고 있다. 

 

우리는 아직도 암흑 물질을 구성하고 있는 “입자” 어떤 것인지 그 정체를 알고 있지 못한다. 

우리가 보고 느낄 수 있는 지구의 모든 사물, 생명체 뿐만 아니라 우주의 별과 은하계들 전체 우주의 5%만 이러한 보통의 물질로 이루어져 있다. 나머지는 암흑물질 25%, 암흑에너지 70%가 채워져 있다는 것만 최근까지의 연구에서 밝혀진 사실이다. 

 

우리가 밤하늘을 올려다보면, 수만, 수억 개의 별들로 가득 차 있다. 이 천체들은  태양계의 행성들, 우리 은하계의 별들, 그리고 멀리 떨어진 은하계 전체를 포함한다. 이 물체들은 우주의 발광 물질을 구성되어 있다. 다양한 종류의 망원경의 도움으로, 우리는 이 천체들이 방사하는 빛을 을 분석하며 이 천체들을 관찰할 수 있다. 

어떤 망원경들은 수백만 광년 떨어진 곳에서 오는 빛을 감지할 수 있다. 사실 인류의 최고 슈퍼 망원경인 허블 망원경은 134억 광년 이상 떨어져 있는 것을 볼 수 있다! 그리고 얼마전 발사한 제임스 웹 수퍼 망원경은 이보더 더 먼 과거의 빛을 탐사하기 시작했다. 허블 망원경과 제임스 웹 망원경에 대하여는 다른 글에서 상세하게 다뤄 보려고 한다.

모든 망원경은 전자기파의 스펙트럼 (빛)을 감지함으로써 작동한다. 우리 눈의로 불 수 있는 가시광선에서 감마선과 X선에 이르기까지 별들이 방출하는 모든 범위의 빛의 주파수로 분석한다.  

빛의 파장은 나노미터(nm) 단위로 측정하는데, 가시광선은 약 400nm(더 작으면 자외선)에서 700nm(더 크면 적외선) 범위에 있다. 거리, 나이, 크기, 모양과 같은 우리 우주의 천체에 대한 주요 정보를 결정하기 위해 검출된 빛의 양으로 우주의 법칙을 이해하기 위해 이 정보를 사용한다. 

하지만, 문제가 있다는 점을 깨달았다.

 

전자기파 스펙트럼의 어떤 부분에서도 방출하지 않는 우주가 있다면, 우리는 고성능 수퍼 망원경으로도 관찰할 수 없다는 것을 의미한다. 이 독특한 특성은 이러한 종류의 물질을 관찰하는 것을 불가능하게 만든다. 그래서 과학자들은 빛을 방출하지 않고 따라서 망원경으로 볼 수 없는 물질을 암흑 물질이라고 이름 붙였다. 

 

그럼 먼저 암흑 물질에 대하여 어떻게 연구되어 왔는지를 알아본다.

 

 

암흑 물질을 찾아서

 

암흑 물질은 과연 존재하는 것인가? 이러한 물음에 답을  찾고 있던 1930년대 스위스의 천문학자인 프리츠 츠비키 Fritz Zwicky 는 암흑물질의 존재를 처음으로 알아냈다. 츠비키는 1000개 이상의 은하를 포함한 코마 성단Coma cluster에서 천체의 운동을 분석하는 연구를 하고 있었다.  별의 질량만으로는 천체들의 운동을 지탱할 수 있는 충분한 크기의 중력장을 만들지 못한다는 것을 알게 되면서, 미지의 중력원인 암흑물질 Dunkle Materie, Dark Matter이 추가로 중력장을 만들어낸다는 가설을 세워 이러한 원인을 설명하였다. 이 연구에 적용한 이론이 역학 질량 mechanical mass이라는 개념을 활용하였다.  

 

• Mechanical Mass (역할 질량)
  
  The part of a particle's mass which is supposed to exist in the absence of any interaction of the particle with itself through a field. 
  입자가 필드를 통해 자신과 상호 작용하지 않을 때 존재해야 하는 입자 질량의 부분이다.

 

츠비키는 다른 두번 방법으로 코마 성단의 질량을 측정했다. 두 번째 계산 방법은 클러스터의 총 밝기를 사용하여 질량을 산정했다. 이러한 두 가지 방식의 질량 추정치를 비교하면서, 츠비키는 은하 속도 측정 결과 코마 성단에 밝기 추정치보다 수백 배 더 많은 질량이 있다고 추정했다.

 

 

역학 질량의 개념

 

은하단에 속한 각 은하의 운동 속도 관측을 통한 방법이다. 은하단 전체 질량이 만드는 중력은 은하단 안의 은하들을 잡아당기고 있다. 그런데 은하의 움직임이 빠를수록 은하를 잡아당기는 중력도 커져야 은하가 은하단 밖으로 날아가지 않고 은하단이 유지된다. 따라서 각 은하의 운동 속도를 알아내면 간접적으로 은하단 전체의 질량을 추정할 수 있다.

 

처음으로 프리츠 츠비키의 암흑물질의 존재 가능성을 밝혀내...

 

츠비키는 역학 질량 개념을 적용하여 연구한 은하단의 질량보다 400배나 많은 질량이 있어야 한다는 결론을 도출했다. 빛을 내지 않아 측정되지 않지만 중력 작용을 일으킬 수 있는 물질을 암흑물질 Dark matter가 존재한다는 처음으로 과학적 논증을 하였다. 이 숫자는 현재 알려진 것보다 수십 배나 크지만, 여러 천체들의 회전속도 관측에서도 유사한 결론을 얻게 되면서 이 도출되어 암흑물질의 필요성은 더욱 확고해져 왔다.

 

별의 속도와 은하 중심으로부터의 거리 사이의 관계.

 

그 동안의 연구와 관측 결과를 간략히 도식화 하면 위 그림과 같이 표현할 수 있다. 은하 중심에서 멀리 떨어져 있는 별들(A)의 실제 관측 속도를 보니 예측한 속도(B)보다 빠르다는 것이다.

이러한 데이터를 바탕으로 은하 바깥쪽에 방출되는 빛이 없기 때문에 우리가 볼 수 없는 대량의 질량이 존재한다고 가정하고 이를 바탕으로 암흑물질의 존재함을 인정하시 시작한 것이다.