#1. 암흑물질이 도대체 뭐야?

은하단 사이의 충돌이 일어난 흔적으로 추측되는 고라형태

 

오늘은 우주의 신비한 진실을 알아내는 데 있어서 빠질 수 없는 암흑물질에 대해 포스팅해볼까 합니다.

 

# 암흑물질이란?

암흑물질(暗黑物質)이란, 중력을 통해 우주에 존재한다는 것을 간접적으로 유추할 수 있지만, 전자기파를 비롯한 다른 수단으로는 전혀 관측되지 않는 수수께끼의 물질들을 칭합니다. 원시 블랙홀, 비활성 뉴트리노, 혹은 원자가 되지 못하고 남은 쿼크 덩어리 등의 다양한 가설이 제시되고 있습니다.

 

# 암흑물질에 대한 상세내용

중력장은 질량을 가진 입자만이 생성할 수 있습니다. 그러므로 어떤 중력장이든지 그 중심에는 해당 중력에 상응하는 질량을 가진 물질이 있어야 합니다. 현재까지 밝혀진 물질은 모두 어떤 형태로든 전자기파와 상호작용 하기 때문에 관측을 통해서 발견되어야 하며, 심지어 빛도 빠져나오지 못하는 블랙홀조차 그 근처에서 x선 복사가 일어나기 때문에 간접적으로 위치 추정이 가능합니다. 그러나 실제 우주에서는 측정되는 중력의 양을 설명할 충분한 양의 질량이 탐지되지 않는 경우가 매우 빈번하며, 이러한 불일치는 마치 관측이 불가능한 모종의 질량이 우주에 매우 널리 퍼져 있는 것이 아닌가 추론케 합니다. 이러한 정체불명의 질량에 대해 임시적으로 암흑물질이라는 이름이 붙었습니다. 즉, 실제로 관측된 적이 없는 가상의 물질인 것입니다. 암흑물질의 존재에 대해 조심스러운 입장을 가진 학자들은 이를 질량 실종 문제(Missing Mass Problem)라고 부르기도 합니다.

 

우리가 아는 일반적인 입자로 구성된 물질이 관측이 되지 않는다면 당연히 암흑물질의 범주에 들어갈 수 있습니다. 그러나 이미 암흑물질이 일반적인 물질과는 다르다는 여러 증거들이 존재하기 때문에 바리온으로 이루어진 암흑물질은 존재한다 하더라도 전체 암흑물질의 일부분에 불과할 것이라는 추정입니다. 사실 우주는 빛을 내는 항성을 제외하고도 수소와 먼지가 풍부하게 분포해 있습니다. 이러한 성간 물질의 대부분은 가시광선을 거의 내지 않기 때문에 맨눈으로는 볼 수 없지만 전파나 X선과 같은 다른 파장으로 보거나, 성간 소광/적색화와 같이 배경에서 오는 빛이 가려지는 효과를 통해 간접적인 방법으로 탐지가 가능합니다. 그러나 암흑물질은 이들과는 완전히 별개의 물질입니다. 일단 현재까지 관측된 바에 따르면 암흑물질은 그 어떤 파장으로도 빛이나 입자를 전혀 방출하지 않으며, 다른 입자들과 상호작용도 하지 않기 때문에 중력과 그에 의해 발생하는 중력렌즈 현상을 제외하면 탐지가 불가능합니다. 아직까지 검출된 적은 없지만, 태양계나 지구 주변의 공간에도 소량의 암흑물질 입자들이 떠돌아다니고 있을 가능성이 높습니다.

 

단순히 관측되는 질량을 잘못 잰 것이 아니냐는 생각을 해볼 수 있겠지만, 그렇다고 여기기에는 관측되지 않는 질량이 이상할 정도로 많다는 점이 문제입니다. 중력을 통해 추정한 우주에 존재해야 하는 물질의 총량은 전자기파 관측을 통해 추정되는 일반 물질 총량의 6배에 달합니다. 즉, 우주에 분포하는 암흑물질의 양이 관측 가능한 물질보다 훨씬 많다는 것이지요.

 

우리 은하나 안드로메다 은하 등의 은하들은 저마다 자신 질량의 수십에서 수백 배에 달하는 암흑물질로 둘러싸여 있을 것으로 추정되며, 은하마다 존재하는 암흑물질의 양은 그 은하의 규모와 양의 상관관계를 가지는 것으로 알려져 있습니다. 다만 절대적으로 비례하는 것은 아니라서 안드로메다 은하는 우리 은하보다 별의 개수가 2배 이상 많지만, 우리 은하에는 암흑 물질이 훨씬 더 많기 때문에 질량은 비슷하다고 추정됩니다.

 

최근에는 암흑물질이 암흑에너지와 상호작용한다는 가설이 나왔습니다. 이에 따르면 암흑물질은 암흑에너지와 상호작용하면서 점점 증발한다고 하며, 이 때문에 우주 구조의 성장이 점점 느려진다고 합니다. 물론 현재 과학 수준으로선 암흑에너지의 유무도 불분명하기 때문에 추론이 입증되기까진 매우 오랜 시간이 필요할 것입니다.

 

- 다음에 계속.