예전부터 지금까지 위대한 과학자들이 그렇게 노력을 했음에도 불구하고, 암흑 물질은 아직 많은 부분이 미스터로 남아 있습니다.
암흑 물질은 전체 우주 에너지 밀도의 4분의 1을 차지하고 있을 것으로 생각되고 있지만, 현재까지 이것을 직접 관찰하려고 했던 시도는 모두 실패로 돌아갔죠.
이 미스터리한 물질은 빛을 흡수하거나 방출하지도 않습니다.
그리고 자연계에 존재하는 4가지의 기본적인 힘(강력, 전자기력, 약력, 중력) 중 세 가지와(중력 제외) 상호 작용하지도 않죠.
어때요, 과학자들이 이 물질때문에 골치아파하고 있는 이유를 조금은 이해가 되시나요?
직접적인 증거가 부족함에도 불구하고, 많은 천체 물리학자들은 여전히 암흑 물질이 존재한다고 믿습니다.
은하계의 회전 등을 비롯한 신비한 우주의 현상들은, 이와 같은 숨겨진 물질이 존재하지 않는다면 전통적인 물리학으로 절대 설명할 수 없을 겁니다.
5. 퍼지 암흑 물질
퍼지 암흑 물질은 비교적 최근에 합류하게된 새로운 암흑 물질의 후보입니다.
예전에는 아주 소수의 과학자들만 관심을 가지고 있었지만, 2000년대로 넘어오면서 많은 과학자들의 관심을 받기 시작했죠.
이 물질은, 스칼라 장 암흑 물질, 초경량 액시온 입자, 파동 암흑 물질, 유제 암흑 물질 등의 다양한 이름을 가지고 있지만, 기본적인 이론는 거의 같습니다.
이 이론은 암흑 물질이 아주 작은 질량을 가진 엄청나게 많은 수의 입자로 구성되어 있다고 가정합니다.
이러한 입자들은 전자보다 약 10의 28승 배 더 가벼운 입자일 것으로 추정하고 있죠.
우주와 같은 매우 낮은 온도에서 이러한 입자들이 서로 합쳐져 보스-아인슈타인 응축으로 알려진 기괴한 물질을 형성하게 됩니다.
※ 보스-아인슈타인 응출 : 수 많은 입자들이 마치 하나의 입자처럼 움직이는 현상(요약)
여러분들도 아시다시피 하나 하나의 작은 입자들은 주변 환경에 거의 영향을 미치지 못합니다.
그러나 이러한 입자들이 뭉쳐져 매우 거대해지고, 또 마치 하나의 입자처럼 움직이게 되면 얘기가 달라지죠.
현재 과학자들은 뉴 멕시코의 초장기선 어레이 전파망원경 등을 이용해 퍼지 암흑 물질을 연구하고 있습니다.
요약 : 암흑물질은 전자보다 10의 28승 배나 더 가벼운 입자들이, 서로 모이고 뭉쳐져 거대해졌고, 이들이 마치 하나의 입자처럼(보스-아인슈타인 응축) 움직이고 있는 것이다.
4. 자가 상호작용 암흑 물질
암흑 물질을 연구하는 과학자들이 자주 좌절하게 되는 이유는, 이 암흑 물질이 과학자들의 예측을 거부한다는 것입니다.
컴퓨터 시뮬레이션에 의하면, 암흑 물질은 "정점 분포(cusp distribution)"로 알려진 구조로 구성되어야만 합니다.
즉, 암흑 물질은 은하의 중심에서 발견되어야 하며, 그 대부분은 밀도가 높은 구체에 집중되어야만 합니다.
그리고 그 나머지 암흑 물질은 은하 주위에 흩어진 채로 남아있어야 하죠.
하지만, 과학자들은 이 암흑 물질이 시뮬레이션과는 정반대로 행동하고 있다는 것을 발견했습니다.
암흑 물질이 은하 주위를 둘러싸고 있는 원형 모양의 영역(헤일로) 가장 자리를 돌고 있었던 것이죠.
과학자들은 이를 가르켜 "핵심 분포(core distribution)"라 부르기로 다시 결정했습니다.
멘탈을 가다듬고 다시 다양한 은하계를 연구해 본 결과, 나이가 적고 덜 활동적인 은하는 그 중심에 암흑 물질을 많이 가지고 있었지만, 반대로 이보다 훨씬 활동적인 은하는 그 중심에 암흑 물질이 거의 없다는 점을 발견했습니다.
이러한 불일치를 설명하기 위해 과학자들은 "자가 상호 작용하는 암흑 물질(Self Interacting Dark Matter(SIDM))" 이론을 제시했습니다.
즉, 활발히 활동하고 있는 은하의 중심에는 지금은 우리가 알 수 없는 강력한 에너지 혹은 행성 형성에 의해 생성된 에너지가 존재하며, 이것에 의해 암흑 물질이 은하의 중심에서 바깥쪽으로 밀려났다는 것입니다.
요약 : 과학자들은 암흑 물질이 은하의 중심에 밀집되어 있을 것이라 예상했지만, 정반대로 은하의 가장자리를 돌고 있었다.
과학자들은 이러한 불일치를 설명하기 위해 "자가 상호 작용 암흑 물질"이론을 제시했으며, 암흑 물질이 바깥쪽으로 밀려난 이유는 알 수 없는 에너지 혹은 행성 형성에 의해 생성된 에너지에 의한 것이다. 물론 이것은 모두 추정이다.
3. 비활성 중성미자
중성미자 연구는, 현대 물리학에서 가장 매력적인 분야 중 하나입니다.
2015년에 가지타 다카아키와 아서 B. 맥도널드 박사는 중성미지가 우주를 여행하는 동안 "맛"을 바꾸고 있다는 것을 증명해 노벨 물리학상을 받았습니다.
중성미자는 전자, 뮤온, 타우라는 3가지 종류의 향료로 구성되어 있는데요. 이러한 향료들이 서로 맛을 바꾸고 있다는 것을 증명한 것이죠.(진동 변환)
하지만, 이들만 가지고는 암흑 물질이라는 요리를 만들기에는 아직 이릅니다.
그래서 일리노이 주 페르미 연구소의 과학자들은 네 번째 조미료인 비활성 중성미자를 준비하고 있죠.
이들이 진행했던 중성미자 가속실험(MiniBooNE)에서, 이 오묘하고 어려운 4번째 맛을 찾기 위해 다양한 입자들을 강력한 빔으로 쪼아댔습니다.
참고로, 이 실험에 사용된 장비는 800톤 이상의 미네랄 오일로 채워진 초 대형 탱크로 구성되어 있었습니다.
이 과학자들은 수 차례의 실험 끝에 2018년, 비활성 중성미자의 존재를 암시하는 결과를 얻는데 성공했고 흥분을 감추지 못했습니다.
이들이 흥분한 이유는 이 비활성 중성미자가 아직 표준 물리학에서 예측하지 못한 새로운 입자였기 때문입니다.
그리고 이 중성미지가 암흑 물질의 특성에서 부터 우주의 비대칭성에 이르기까지 현대 물리학에서 비워져 있던 퍼즐 조각에 대한 해답을 제시할 수 있기 때문입니다.
그러나 2019년에 보고된 MINOS+ 실험에서 이와 반대되는 결과가 나와서, 아직 해결해야할 과제가 많이 남아있는 것도 사실이죠.
최근에는 한국애서도 IBS 지하실험 연구단의 과학자들이 단거리 중성미자 진동 실험(NEOS)등을 통해 비활성 중성미자를 검출하기 위해 노력하고 있습니다.
요약 : 중성미자는 암흑 물질을 구성하고 있을 것으로 예측되고 있는 아주 강력한 후보이다.
중성미자에는 전자, 뮤온, 타우가 있는데, 이들로는 암흑물질을 설명하기 어렵다.
그래서 과학자들은 비활성 중성미자라는 새로운 입자를 연구하고 있다.
2. 암흑 광자
광자는 말 그대로 빛 입자를 말합니다. 자연의 근본적인 힘 중 하나인 전자기력을 매개하죠.
암흑 물질의 미스터리를 설명하기 위해 일부 과학자들은 암흑 광자라는 이론을 제시합니다.
암흑 광자는 광자와 비스무리하지만 질량이 극히 낮고 또 반대로 매우 어둡습니다.
이 과학자들은 중력파, 즉 공간과 시간의 구조상에 위치하고 있는 천체들의 파동이 이 작은 입자들을 발견할 수 있게 도와줄 것이라 믿고 있습니다.
암흑 광자가 몰래 우주를 떠돌아다니고 있다면, 이들의 신호는 LIGO나 Virgo와 같은 매우 민간함 중력파 탐지기들에 의해 분명 포착될 수 있을 겁니다.
그래서 과학자들은 LISA(레이저 간섭계 우주 안테나, Laser Interferometer Space Antenna)라고 하는 최초의 우주 기반 중력파 관측소의 오픈을 기다리고 있는데요.
이 관측소를 사용할 수 있게 된다면 마침내 암흑 물질을 향해 한걸음 더 가까기 다가갈 수 있을 겁니다.
요약 : 일부 과학자들은 암흑 물질이 암흑 광자라는 입자로 구성되어 있다고 믿는다.
이 입자는 우주에서 발생되고 있는 중력파에 의해 감지될 수 있다.
그래서 과학자들은 LISA라는 레이저 간섭계 우주 안테나의 오픈을 기다리고 있다.
1. 암흑 물질은 없다.
과학자들이 오랜 시간 동안 아무리 노력해도 암흑 물질을 완벽히 입증할 수 없었습니다.
이유는 간단합니다. 그것이 실제로 존재하는 물질이 아니기 때문이죠.
사실 물리학자들이 과거에 상당히 큰 규모의 실수를 저질렀던 적이 있었는데요.
19세기, 우리의 우주는 발광 에테르(luminiferous ether)라는 물질로 가득차 있다고 알려져 있었습니다.
그리고 그 이후로도 수십 년 동안, 빛이 전달되기 위해서는 에테르라는 물질이 반드시 필요하다도 믿었죠.
하지만 1887년에 이루어진 마이컬슨-몰리 실험(물리학 역사상 가장 중요한 실험 중 하나)은 에테르라는 물질의 존재를 끝내 입증하지 못했습니다.
대표적인 암흑 물질 회의론자인 폴 밀그롬 박사는 암흑 물질을 가르켜 "우리 세대의 에테르"라고 표현합니다.
암흑 물질이 왜 존재하고 또 어떠한 형태로 이루어져 있는지는 현대 과학에서 가장 신비한 미스터리 중 하나입니다.
하지만 미래에는, 오늘 소개한 모든 이론들이 완전히 틀렸다는 것을 깨닫게 될지도 모릅니다.
하지만 실망할 필요는 없습니다. 이로 인해 우리는 진정한 진실을 마주하게 될 기회를 얻게 될테니까요.
모든 암흑 물질 검출기와 이와 관련된 모든 이론들이 무효화된다면, 우리는 우주의 진실을 찾는데 더 가까워지게 될겁니다.
요약 : 암흑 물질은 없다. 하지만 이를 통해 우리는 우주의 진실에 한 발 더 다가설 수 있게 될 것이다.
물론 이것도 하나의 이론이다.
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