암흑물질(개념, 성질, 연구 동향)

오늘은 암흑물질에 대해 알아보겠습니다.

암흑물질의 개념

암흑물질이란, 빛을 방출하거나 반사하지 않아 우리의 눈으로 직접 관측할 수 없는 물질을 말합니다. 그러나 다른 물체에 미치는 중력을 통해 암흑물질이 존재함을 추론할 수 있으며 우주의 대규모 구조를 형성하는데 큰 역할을 하는 물질입니다. 암흑물질은 우주를 구성하는 물질 중 약 27%를 차지할 정도로 큰 비중을 차지하고 있습니다. 빅뱅이론에 따르면 암흑물질은 초기 우주에서 형성되었고, 중력으로 물질을 끌어당기면서 우주의 은하와 은하단을 조성하는 것으로 알려져있습니다. 눈으로 보이지 않기 때문에 눈으로 보이는 물질을 통해 이 암흑물질을 연구하고 있다는 점이 아주 흥미로운 점입니다. 관측적 증거로는 은하 회전 곡선이 있는데 이는 케플러 제2법칙을 따르지 않는 회전속도로 밝혀진 증거입니다. 우주가 일반적인 태양계와 유사하다면 회전속도는 중심에서 멀어질수록 감소하여야 합니다. 하지만 은하 회전 곡선은 중심에서 멀어질수록 평평하게 유지되는 것을 확인할 수 있었습니다. 이를 통해 우리는 은하의 외곽에 암흑물질이 많이 존재함을 유추할 수 있습니다. 암흑물질을 설명하는 주요이론에는 WIMPs와 axions 같은 가설들이 있고 현재에도 전세계에서 활발히 연구하고 있는 주제입니다. 암흑물질에 대해 밝히는 것은 물리학 및 우주론 발전에 큰 발전을 가져올 것이므로, 우리의 중요한 과제입니다. 

암흑물질의 성질

암흑물질은 대표적으로 3가지의 큰 성질을 띄고 있습니다. 첫번째는 비가시성입니다. 앞서 설명한 바와 같이 암흑물질은 전자기파와 상호작용을 하지 않아 우리 눈 뿐아니라 현재 우리가 사용하는 모든 관측기기로도 볼 수가 없습니다. 이러한 암흑물질의 특징이 더욱 이 주제를 흥미롭고 신비롭게 만들어준다고 볼 수 있습니다. 두번째는 중력적 상호작용입니다. 전자기파와 상호작용을 하지 않는 이 물질은 놀랍게도 중력과 상호작용합니다. 때문에 우리 눈에 보이지는 않지만 중력과의 상호작용을 통해 우주 내 은하의 회전속도, 은하단의 움직임 등을 만들어냅니다. 예를 들어, 은하 내의 별들이 우리의 예측보다 빠르게 회전한다면 우리는 그 현상을 통해 암흑물질이 존재함을 확인할 수 있습니다. 과거 대부분의 암흑물질에 대한 연구가 이런 방식으로 암흑물질의 존재를 확인함으로써 이루어졌습니다. 가시적이지 않음에도 우리가 암흑물질의 존재를 확인할 수 있는 이유는 중력적 상호작용 때문이라고 할 수 있습니다. 세번째는 대칭성과 안정성으로, 다른 물질과 달리 암흑물질은 대칭성과 안정성을 가집니다. 이로 인해 초창기 우주부터 지금까지 존재할 수 있던 것으로 보여집니다. 눈에 보이지도 않는 이 물질이 대칭성을 갖는다는 것은 어떻게 밝혀지게 되었을지 궁금증을 불러일으킵니다. The Mystery of Dark Matter라는 제목의 다큐멘터리는 암흑물질의 연구과정을 시각적으로 설명해주어 과학에 대한 이해도가 낮은 일반인에게도 유용한 학습자료가 될 것입니다.

암흑물질 연구의 동향

암흑물질의 연구는 1800년대 말 처음으로 시작되어 현재까지 이어지고 있습니다. 암흑물질은 켈빈에 의해 1884년에 처음으로 존재가능성이 논의되었습니다. 1906년 앙리 푸앵카레는 암흑물질의 양이 우리가 눈으로 볼 수 있는 물질의 양보다 반드시 적을 것이라는 사실을 발견했습니다. 그 이후로도 1930년대까지 네덜란드, 스웨덴, 미국 등 세계 각지에서 암흑물질의 존재 사실에 대해 다양한 주장이 제기되었습니다. 1960년대에는 세스 쇼스탁이 앞서 설명한 은하회전곡선을 발견하게 됩니다. 그 이후로 천문학 관측 장치의 발전에 따라 전파 천문학자들의 다양한 실험적 관측이 활발히 이루어졌고, 1980년대에는 중력렌즈효과, 우주 마이크로파 배경 등을 근거로 암흑 물질의 존재를 확실시하였습니다. 현재 우주론자들의 합의에 따르면 암흑물질은 아직 현대 과학으로 특성화되지 않은 아원자 입자로 구성되어 있는 것으로 알려져있습니다. 과학계에서 암흑물질은 실험적, 천문학적, 이론적인 다방면적인 접근들로 연구되고 있습니다. 대표적인 실험은 리니어 가속기 실험으로 암흑물질을 탐색하기 위해 설계된 실험입니다. 고온과 고압에서 물질을 충돌시켜 입자를 생성하고 이 입자들이 암흑물질과 상호작용하는 모습을 관찰하기 위한 실험입니다. 또 다른 실험으로는 지하탐지기 실험이 있는데 지하 깊은 곳에 설치된 탐지기로, 자연 방사선의 영향을 적게받아 암흑물질의 상호작용을 더 잘 관찰하기 위함입니다. 암흑물질에 대한 연구는 현재진행 중으로 눈으로 확인할 수 없다는 점에서 다양한 방식으로의 접근이 더욱 중요한 연구라고 볼 수 있습니다.

 

이번 글에서는 암흑물질에 대해 알아보았으며, 다음 글에서는 플라스마 우주론에 대해 알아보겠습니다.