암흑 물질에 대한 가장 많은 질문과 답 11가지

1930년대에 프리즈 츠비키(Fritz Zwicky)라는 스위스의 천문학자는 먼 성단의 은하들이 그들이 가지고 있는 질량에 비해 훨씬 더 빠르게 서로를 돌고 있다는 것을 눈치챘습니다.

그는 보이지 않는 물질, 이른바 암흑 물질이 이 은하들을 서로 끌어당기고 있을 것이라 제안했죠.

 

그 이후로 과학자들은 이 신비한 물질이 우주 전체에서 발견될 수 있으며, 별과 사람과 같은 것들을 구성하는 일반적인 물질보다 6배나 더 많다는 것을 확인했습니다.

그러나 우주 전체에 암흑 물질이 존재할 것이라 확신했던 과학자들은 지금까지도 여전히 머리를 긁고 있습니다.

 

 

 

암흑 물질은 무엇인가요?

현재까지도 과학자들을 가장 당혹스럽게 만들고 있는 것은 암흑 물질이 정확히 무엇인지 잘모른다는 겁니다.

기존의 일부 과학자들은 우주의 누락된 질량이 우리에게 보이지 않는 작고 희미한 별들과 블랙홀로 이루어져 있을 것이라고 추측했었지만 사실 이것만으로 누락된 질량을 설명하기에는 많이 부족하죠.

현재 암흑 물질의 정체에 대한 유력한 용의자는 양성자보다 10배 정도 더 무겁지만 마치 중성자처럼 행동하며 약하게 상호작용하는 질량 입자, 즉 WIMP라고 불리는 가상의 입자입니다.

참고로 이 입자는 한국의 이휘소 박사가 처음으로 제안했습니다.

 

암흑 물질을 탐지할 수 있나요?

만약 암흑 물질의 정체가 WIMP 입자라면, 우리는 이들을 볼 수 없으며 감지할 수도 없어야 합니다.

이들은 일반적인 물질과 거의 상호 작용하지는 않지만, 우주를 여행할 때 양성자나 전자와 같은 일반적인 입자와 부딪힐 수 있는 약간의 가능성은 남아있죠.

그래서 과학자들은 전 세계 곳곳 지하 깊숙한 곳에 암흑 물질과 일반 입자와의 충돌을 모방할 수 있는 실험실을 만들었습니다.

그 이후, 수십년 동안 다양한 실험이 진행되었지만 이러한 검출기들 중 그 어느것도 믿을만한 결과를 내놓지는 못했죠.

그리고 홀해 초에 이루어진 가장 큰 규모의 Chinese PandaX 실험은 결국 WIMP 입자를 발견하는데 실패했습니다.

연구팀은 사실 WIMP 입자는 존재하지 않을수도 있으며, 암흑 물질 입자가 WIMP보다 훨씬 더 작거나 연구를 진행할 수 있는 방식으로 행동하지 않을 수 있다고 결론내렸습니다.

 

암흑 물질은 두 개 이상의 입자로 구성되어 있나요?

일반적으로 물질에는 양성자와 전자와 같은 일반적인 입자뿐만 아니라 중성미자, 뮤온, 파이온과 같은 더 독특한 입자들도 포함되어 있습니다.

따라서 과학자들은 우주의 85%를 차지하고 있는 암흑 물질도 이와 마찬가지로 복잡하게 구성되어 있지는 않은지 궁금해졌죠.

 

하버드 대학의 물리학자인 안드레이 카츠(Andrey Katz) 박사는 우주의 모든 암흑 물질이 한 종류의 입자로 만들어졌다고 가정할 합당한 이유가 없다라고 말합니다.

암흑 양자는 암흑 전자와 결합하여 암흑 원자를 형성할 수 있는 등의 다양한 가능성을 생각해볼 수 있다는 것이죠.

이러한 제안은 물리 실험실에서 조금씩 적용되고 있지만, 그 결과에 대한 분석이나 검증할 수 있는 방법까지는 아직 알 수 없습니다.

기묘체와 같은 아주 특이한 입자를 상상할 수는 있지만, 검증할 방법이 없는 것 처럼요.

 

어두운 힘이 존재하나요?

암흑 물질은 자신에게 포함된 추가적인 입자들에 의해 일반적인 물질과 유사한 힘을 가지고 있을 가능성이 있습니다.

그래서 일부 과학자들은 암흑 광자라는 대안을 제시하고 있죠.

암흑 광자는 전자기력을 매개로하는 우리가 알고 있는 일반적인 광자와 비슷합니다.

질량이 극히 낮고 조금 더 어두우며 암흑 물질 입자에만 반응한다는 점을 제외하면 말이죠.

 

이탈리아의 물리학자들은 전자의 반물질 버전인 양전자라고 불리는 입자를 다이아몬드 웨이퍼에 부딪히게 할 계획을 세우고 있는데요.

만약 암흑 광자가 존재한다면, 전자와 양전자는 서로를 소멸시켜 이상한 힘을 가진 이 입자를 만들어낼 가능성이 있습니다.

그렇게 된다면 자연계에 존재하는 다섯 번째의 힘을 발견하게 되는 것이며, 물리 교과서는 다시 쓰여져야 할 겁니다.

 

암흑 물질의 정체는 엑시온인가요?

물리학자들의 WIMP에 대한 사랑이 조금씩 식어가면서 다른 암흑 물질 후보 입자들이 서서히 인기를 얻고 있습니다.

주요 후보 중 하나는 액시온이라는 가상의 입자인데요, 아마도 이 입자는 엄청나게 가벼울 겁니다.

현재 과학자들은 여러가지 실험을 통해 액시온을 찾고 있죠.

최근의 컴퓨터 시뮬에이션은 이러한 액시온이 별과 같은 물체를 형성할 수 있는 가능성을 제기했습니다.

그리고 엑시온이 만들어낸 물체가 중성자 별과 충돌하게 되면 강력한 고속 전파 폭발(FRB)과 같은 신호를 발생시킬 수 있죠.

액시온이 정말로 존재한다면 오랫동안 과학자들의 머리를 아프게 만들었던 고속 전파 폭발의 미스터리도 함께 풀리게 될 겁니다.

 

암흑 물질의 특성은 무엇인가요?

천문학자들은 일반 물질과 중력의 상호 작용을 통해 암흑 물질을 예측했으며, 이것이 우주에서 암흑 물질의 존재를 확인할 수 있는 주된 방법입니다.

그리고 과학자들은 오랜 시간 동안 암흑 물질의 진정한 본질을 이해하려고 노력했지만, 참으로 놀라울 정도로 별로 진전된 것이 없죠.

일부 이론에 따르면, 암흑 물질은 입자와 반입자로 구성되어 있는데, 이는 두 암흑 물질이 만나면 서로 소멸하게 된다는 것을 의미합니다.

2011년 부터 국제 우주 정거장에서 이루어지고 있는 알파 자기 분광기(AMS) 실험은 이들의 소멸 징후를 찾고 있으며, 이미 수십만 개의 신호를 탐지하는데 성공했죠.

하지만 과학자들은 여전히 이러한 신호들이 암흑 물질에서 나온 것인지 확신하지 못하고 있으며, 결국 이 신호는 암흑 물질이 정확히 무엇인지를 규명하는데 전혀 도움을 주지 못하고 있습니다.

 

 

 

모든 은하계에 암흑 물질이 존재하나요?

암흑 물질은 보통 물질보다 훨씬 더 크기 때문에 은하와 은하단과 같은 큰 구조물을 만들 수 있을 것이라 생각됩니다.

그래서 올해 초(2019) 천문학자들은 NGC 1052-DF2라는 은하에 암흑 물질이 거의 없다고 발표되었을 때 멘붕에 빠졌죠.

연구를 주도했던 예일대학교의 피터 반 도컴 박사는 그 당시 "암흑 물질은 은하 형성을 위한 필수 조건은 아니다"라고 말했습니다.

그러나 올해 여름, 다른 연구팀은 반 도컴 박사의 연구팀이 은하의 거리를 잘못 계산했다는 것을 보여주는 자료를 게재했는데요.

이 은하가 생각했던 것보다 지구에서 더 가까웠고 또 훨씬 더 작았기 때문에, 기존에 측정된 질량의 일정 부분이 남게 되는데 이것이 바로 암흑 물질이 존재한다는 증거라는 겁니다.

 

DAMA / LIBRA의 결과는 어떤가요?

입자 물리학의 오랜 신비는 DAMA / LIBRA로 알려진 유럽의 실험으로 더욱 가중되었습니다.

이탈리아의 그란사소 산 아래 지하 광산에 위치한 이 검출기는, 암흑 물질 입자의 주기적인 진동을 찾고 있는데요.

이 진동은 지구가 태양의 주위를 돌 때, 태양계를 둘러싸고 있는 암흑 물질에 의해 발생할 수 있으며, 이러한 잔동을 가르켜 암흑 물질 바람이라고도 합니다.

이는 우리가 달리고 있는 자동차의 창문 밖으로 손을 내밀었을 때 바람에 의해 손이 떨리는 진동과도 비슷하다고 할 수 있죠.

1997년 이래로 DAMA / LIBRA 실험은 이러한 진동을 정확히 감지했다고 주장했지만, 그 이외의 다른 실험에서는 한번도 확인된 적이 없습니다.

 

임흑 물질에 전기가 있나요?

아주 오래전부터 과학자들은 암흑 물질이 전하를 가지고 있을지도 모른다고 생각했습니다.

파장이 21cm인 방사선은, 빅뱅이 일어나고 1억 8000만 년이 흐른 시점에서 우주 초기의 별들에 의해 방출되었습니다.

그리고 이러한 방사선은 주변에 있던 차가운 수소에게 흡수되었죠.

올해 2월 이 수소 가스가 처음으로 검출되었을 때 과학자들은 이 수소 가스가 기존에 예상했던 것보다 훨씬 더 차갑다는 것을 깨닫게 되었습니다.

이를 통해, 하버드 대학의 천체 물리학자인 줄리안 무노즈 박사는 암흑 물질 안에 있는 전하가 우주에 존재하는 모든 수소에서 열을 빼앗을 수 있다는 가설을 만들게 되었죠.

하지만 이러한 가설은 아직 정확하게 입증되지는 않았습니다.

 

일반 입자가 암흑 물질로 붕괴될 수 있나요?

중성자는 수명이 정해져 있는 규칙적인 입자입니다.

원자의 핵에서 분리된 중성자는 약 14.5분 후 양성자, 전자, 중성미자로 붕괴되죠.

그러나 7월에 발표된 학술지 "Physical Review Letters"에 따르면, 두 가지의 실험에서 중성자가 붕괴되는 시간의 차이가 발생했는데, 그 차이는 약 9초였다고 합니다.

일부 과학자들은 만약 일부 자유 중성자가 압흑 물질 입자로 붕괴된것이라면 이러헌 시간의 차이를 설명할 수 있다고 제안합니다.

그래서 뉴 멕시코 로스맬러모스 국립 연구소의 연구팀은 암흑 물질의 신호를 찾기 위해 중성자의 붕괴를 모니터링 했지만 결국 아무것도 확인할 수 없었습니다.

하지만 연구팀은 이에 굴하지 않고 다양한 붕괴 시나리오를 통해 실험을 계속 진행할 예정입니다.

 

암흑 물질은 정말 존재하는게 맞나요?

과학자들이 암흑 물질을 탐지하고 설명하는데에 많은 어려움을 겪고 있다는 점에서, 우리들은 혹시 이들이 잘못된 방향으로 가고 있는 것은 아닌가라는 의문이 들 수 있습니다.

그 동안 소수의 물리학자들은 단순히 우리의 중력 이론이 부정확할 뿐이고, 근본적인 힘은 우리가 생각했던 것과 다르게 작용한다고 주장했죠.

흔히 "수정 뉴턴 역학(Newtonian dynamics)" 또는 MOND 모델로 알려진 이러한 제안은 암흑 물질은 존재하지 않으며, 별과 은하가 서로를 매우 빠르게 회전하여 발생되는 놀라운 중력의 결과하고 주장합니다.

물리학자인 돈 링컨은 "암흑 물질은 여전히 확인되지 않은 모델이다."라고 말합니다.

그러나 암흑 물질 회의론자들은 그들이 주장하고 있는 아이디어에 대해서 아직 설득시키지 못하고 있으며, 가장 최근에 이루어진 일련의 실험 결과들은 암흑 물질이 실제로 존재한다는 것을 보여주고 있습니다.

 

 

 

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