사이언스 투데이
과학본색 사이언스 매거진 별별 이야기 내 몸 보고서 날씨학개론 생각 연구소 줌 인 피플 궁금한S

[궁금한 S] 미지의 세계…암흑물질이란 무엇인가?

[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 <궁금한 S> 시간입니다. 밤하늘의 별처럼 우리 눈에 보이는 우주의 모습은 극히 일부라고 하는데요. 그렇다면 우주는 대체 무엇으로 이뤄져 있는 것일까요? 지금 바로 만나보시죠.

[이효종]
안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 궁금한 S의 이효종입니다. 궁금한 S와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.

우주는 무엇일까요? 어떻게 정의하기도 어려운 우주는 통상적으로 지구 대기권 밖의 모든 공간을 의미합니다.

표준 우주모형에 따르면 우주의 4.9%는 우리가 파악할 수 있는 물질로 되어 있고, 26.8%는 암흑물질, 68.3%는 암흑에너지로 되어 있다고 합니다. 그러니까 우리가 우주의 성분 중 파악할 수 있는 건 약 5% 정도밖에 안 되는 것이죠.

그렇다면 이 암흑물질은 무엇이고, 어떻게 발견하게 되었을까요? 그러기 위해서는 먼저, 은하가 무엇인지부터 차근차근 알아보아야 합니다.

은하는 별들의 집단을 의미합니다. 우주에는 수천만 개 또는 수백조 개의 별을 가진 은하가 무수히 존재합니다. 그중 태양계가 속해있는 은하를 우리 은하라고 하고, 우리 은하 밖에 있는 은하를 외부은하라고 합니다. 그리고 이런 은하들이 우주 내에서 집단을 이루게 되면, 이를 가리켜 은하단이라고 부르고 있습니다.

스위스의 천문학자 프리츠 츠비키는 1933년 지구로부터 약 3억 광년 정도가 떨어진 머리털자리 은하단을 관측하고 있었습니다. 그리고 이상한 점을 발견했는데, 은하단에 속한 은하들이 공통의 질량 중심 주위를 약 1,000km/s의 속도로 회전하고 있다는 것이었어요. 이게 왜 이상한 것이었을까요?

보통 태양 주위를 도는 행성에는 매우 강력한 원심력이 가해집니다. 그런데도 이탈하지 않고 태양 주위를 돌 수 있는 이유는 주변에 있는 별의 중력이 행성을 잡아당겨 주는 덕분이었죠. 이렇게 잡아당길 수 있다는 말은 그만큼의 질량을 가졌다는 의미이기도 합니다.

이는 은하단에 속한 은하들도 해당합니다.

약 1,000km/s의 속도로 회전한다면 원심력에 의해 은하가 이탈했어야 하는데, 이탈하지 않았다는 것은 은하를 잡아주는 무엇인가가 존재했다는 의미가 됩니다. 그리고 과학자들은 이 '무엇인가'가 질량을 가지고 있으나 그 어떤 전자기파와도 상호작용하지 않는 미지의 물질인, 암흑물질이라고 정의했습니다.

그런데 26.8% 정도나 되는 물질이라면, 자신의 모습을 드러낼 만도 한데, 사방을 둘러봐도 우리 눈에는 정상물질만 보이는 게 기이한데요. 하지만 추정되는 몇 가지 관측 사례들도 있다고 합니다.

암흑물질로 추정되는 가장 유력한 관측 사례는 아인슈타인의 중력렌즈 효과를 이용한 예측입니다.

지금 보시는 이 사진은 허블 우주망원경이 촬영한 Abell 1689 은하단입니다.

사진을 잘 들여다보면, 가운데에 마치 렌즈로 확대한 듯 은하 분포가 둥글게 왜곡돼 보이는 부분이 있죠? 눈에는 안 보이지만 암흑물질이 존재해 은하로부터 빛을 렌즈처럼 휜 결과입니다.

이 빛의 굴절 값이 은하에 속해있는 별들의 질량을 추산을 통해 합한 값보다 더 많다는 것을 천문학자들은 수학을 통해 알게 되었고, 이를 활용해 은하단에 속해있는 암흑물질을 추산할 수 있었습니다. 다음으로 총알 성단의 모습입니다.

파란색은 중력 렌즈 효과로 유추한 암흑 물질의 분포도를 나타낸 것이고, 붉은색 영역은 찬드라세카르 우주 망원경을 통해 바라본 X선을 통해 들여다본 관측 가능한 영역입니다. 두 영역이 기묘하게 겹쳐있는 모습을 확인할 수 있죠?

현재는 이 암흑물질 이야기는 그럴듯한 해결책을 제시해주긴 하지만 존재에 대한 결정적인 증거가 존재하는 이론은 아닙니다. 이 암흑물질의 존재는 케플러의 천체운동법칙이 절대 틀렸을 리 없다는 천문학자들의 생각 때문에 탄생한, 엄밀히 말하면 아주 약한 성격의 에드혹 가설의 성격을 띠고 있는 건 부정할 수 없는 두려운 사실입니다. 실제 천문학자 도널드 사리는 2015년 뉴턴 법칙이 은하 구조와 회전 곡선에 관한 이론에 잘못 적용되었을 가능성이 있다는 증거를 발견했습니다.

도널드 사리가 지적한 모형에서 의심할 만한 측면은 크게 두 가지입니다. 하나는 모든 별의 궤도를 원으로 간주한다는 가정, 그리고 다른 하나는 별의 수프 모형에 관한 의심입니다. 간략하게 별 수프 모형에 관해 설명하자면, 모든 별은 원형 궤도를 돌고, 중심에서 같은 거리에 있는 별들은 같은 속도로 은하를 공전할 것이다. 라는 가정입니다. 벌써 모형 속에 모든 별은 원형 궤도를 돌고 있다는 가정이 들어가 있죠? 이렇게 은하의 움직임에 관한 모형을 만들어두게 되면, 뉴턴과 케플러의 법칙에 의해서 별들의 움직임을 깔끔하게 유도해낼 수 있습니다.

하지만 이 모형은 결정적인 단점을 가지고 있습니다. 바로 그것은, 은하 껍질 부근에 존재하는 별들의 효과는 고려하지 않았다는 점. 즉 물리학에서 가장 난제로 꼽는 대상 중 하나인 N체 문제, 3개 이상의 천체가 상호작용할 때 일어나는 카오스를 고려하지 않았다는 점과 실제로 정말 원 궤도로 천체가 움직이지 않을 수 있다는 한계를 가지고 있습니다.

암흑물질이 정확히 어떤 것인지 밝히기 위한 연구는 계속되고 있습니다. 많은 과학자는 암흑물질은 아직 우리가 관측할 수 없는 새로운 입자라고 이야기합니다. 후보 물질로는 WIMP, 액시온, 비활성 중성미자, 블랙홀 등이 있는데요.

이중 유력한 후보 물질 3개가 있습니다. 윔프는 약하게 상호작용하는 무거운 가상입자이고, 액시온은 약하게 반응하는 가벼운 가상입자, 중성미자는 중력에만 반응하는 가상입자를 말합니다. 보시다시피 전부 가상입자입니다.

그런데 2018년 12월 6일, 한국이 주도한 국제연구팀이 20년 전 이탈리아 연구팀이 실험을 통해 포착한 신호가 윔프 신호가 아닌 것으로 보인다는 연구 결과를 과학저널 네이처를 통해 발표하면서 과학계의 주목을 받았습니다.

이번 연구를 통해 윔프가 암흑물질이 아니라는 사실만 증명한 게 아닙니다.

20년 전 관측한 입자 신호가 윔프가 아니었음을 확인해, 진짜 암흑물질을 찾을 수 있는 기반을 마련한 것이죠. 현재 암흑물질 후보에는 윔프 외에도 더 가볍고 매우 많은 수가 뭉쳐 이동하는 것으로 추정되는 입자인 '액시온'과 '비활성 중성미자'가 존재합니다. 이번 연구결과로 액시온과 비활성 중성미자 역시 암흑물질의 후보 자리를 계속 유지할 수 있게 되었습니다.

과학자들 사이에서도 논쟁이 되는 암흑물질이 무엇인가에 관한 문제! 어떠셨나요? 여러 해결책이 등장하면서, 좀 더 과학계는 미지의 실마리를 잡아가는 단계를 계속해서 일궈내고 있습니다. 계속되는 연구를 통해, 언젠가는 암흑물질이 무엇인지에 관해 제대로 정의할 수 있는 날이 다가오지 않을까요? 그럼 궁금한 S는 이만 인사드릴게요~

과학에 대한 궁금증이 있다면 언제든 사이언스 투데이 페이스북에 댓글을 남겨주세요. 이상 궁금한 S였습니다!
  1.  16:00황금나침반 <183회> (2)
  2.  16:40팩트체크 한일경제전쟁 <3회>...
  3.  17:10수상한 비디오 크레이지S <14...
  1.  YTN사이언스 특집·파일럿 프로그램 외...
  2. YTN사이언스 구매 프로그램 공모