암흑물질이란 무엇인가?

암흑물질은 우주 물질의 대부분을 구성하는 신비한 비발광 물질입니다. 전문가들은 수십 년 동안 암흑 물질의 중력 효과를 관찰해 왔지만, 과학자들은 암흑물질의 진정한 본질에 대해 여전히 당황스러워하고 있습니다.

 

암흑물질을 발견한 사람은 누구?

19세기 후반에 천문학자들은 우주 전체에 흩어져 있는 희미한 별이나 가스, 먼지 등 보이지 않는 물질에 대해 추측하기 시작했습니다. 2018년 과학 학술지 리뷰에 따르면 연구자들은 질량을 추정하기 시작했습니다. 대부분의 사람은 이 신비한 물질이 우주 전체 질량의 작은 구성 요소라고 생각했습니다. 스위스계 미국인 천문학자 프리츠 츠비키는 1933년이 되어서야 먼 은하들이 망원경으로 볼 수 있는 가시 물질을 고려할 때 가능한 것보다 훨씬 빠르게 서로 회전하고 있다는 사실을 발견했습니다. 그는 그해 과학 학술지 논문에 "이것이 확인된다면 우리는 암흑물질이 발광 물질보다 훨씬 더 많이 존재한다는 놀라운 결과를 얻게 될 것이다"라고 썼습니다.

 

그러나 현장의 많은 사람들은 1970년대 천문학자 켄트 포드와 베라 루빈이 이웃 안드로메다은하의 외곽 지역에 있는 별들에 대해 상세한 연구를 수행할 때까지 츠비키의 결과에 대해 회의적인 태도를 유지했습니다. 이 별들은 마치 눈에 보이지 않는 물질이 중력에 의해 끌어당겨 밀어내는 것처럼 은하 중심을 너무 빠르게 공전하고 있었습니다. 과학자들은 곧 우주 전역의 은하계에서 이러한 관찰을 발견했습니다.

 

연구자들은 이 보이지 않는 덩어리가 무엇으로 구성되어 있는지 전혀 몰랐으며, 일부 천문학자들은 암흑물질이 작은 블랙홀이나 망원경으로 볼 수 없을 만큼 너무 적은 빛을 발산하는 기타 조밀한 물체로 구성되어 있다고 추측했습니다. 나사에 따르면 1990년대에 윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기라는 우주 망원경이 이 암흑물질이 일반 가시 물질보다 5배 더 크다는 사실이 밝혀지면서 결과는 더욱 이상해졌습니다.

 

암흑물질이 미스터리로 남아 있는 이유

망원경 조사로는 이 엄청난 양의 물질을 설명할 만큼 작고 컴팩트한 물체를 결코 찾을 수 없었습니다. 대부분의 현대 천문학자들은 암흑물질이 더 친숙한 양성자 및 중성자와는 다소 다른 특성을 가진 아원자 입자로 구성되어 있을 가능성이 있다고 생각합니다. 암흑물질의 주요 후보는 약하게 상호작용하는 거대 입자라고 불립니다. 이러한 추측적 실체는 거의 모든 입자와 힘을 설명하는 입자물리학의 표준모형에서는 발견되지 않습니다. 약하게 상호작용하는 거대 입자는 양성자 보다 무게가 10~100배 더 무겁다는 점을 제외하면 유령 중성미자와 더 유사합니다. 중성미자의 정확한 질량은 알려져 있지 않지만, 전자보다 훨씬 가볍습니다.

 

중성미자와 마찬가지로 약하게 상호작용하는 거대 입자는 우주의 4가지 기본 힘 중 두 가지, 즉 중력과 방사성 원자핵의 붕괴를 중재하는 핵 약력 과만 상호작용합니다. 이 암흑물질 입자는 전기적으로 중성입니다. 즉, 빛의 기초인 전자기학과 상호 작용하지 않으므로 눈에 보이지 않는 상태로 유지됩니다. 물리학자들은 약하게 상호작용하는 거대 입자를 탐지하기 위해 우주선 간섭으로부터 보호하기 위해 거대한 탐지기를 구축하고 지하 깊은 곳에 배치했지만, 지금까지 이에 대한 증거를 발견한 실험은 없습니다. 최근 몇 년 동안 이러한 실패로 인해 현장의 일부 사람들은 실제 끝이 없는 거친 입자 추적을 시작했는지 궁금해하기 시작했습니다.

 

따라서 일부 과학자들은 전자 질량의 100만분의 1, 심지어 10억 분의 1에 달하는 액시온이라는 새로운 암흑물질 후보에 관심을 돌리고 있다고 과학 학술지는 보도했습니다. 이러한 가상 입자는 물리학의 또 다른 뛰어난 문제를 해결할 수 있기 때문에 연구자에게 특히 매력적이며, 잠재적으로 중성자와 상호 작용하여 자기장은 느낄 수 있지만, 전기장은 느낄 수 없는 이유를 설명할 수 있습니다. 과거 원래 약하게 상호작용하는 거대 입자 포착을 위해 제작된 탐지기인 이탈리아 그린 사소 국립 연구소의 제논1T 실험 참가자들은 액시온의 존재로 설명할 수 있는 작지만, 예상치 못한 신호를 발견했다고 발표했습니다. 이 결과는 과학계에 충격을 주었지만, 아직 다른 실험에서는 확인되지 않았습니다.

 

암흑물질은 진짜일까?

이는 연구자들이 여전히 암흑물질이 무엇인지에 대해 고민하고 있음을 의미합니다. 일부 이론가들은 눈에 보이는 우주에서 볼 수 있는 아원자 복잡성과 유사하게 암흑물질에만 영향을 미치는 여러 입자와 심지어 암흑 세력을 포함하는 우주의 전체 암흑 구역이 있는지 궁금해했습니다. 동시에 소수의 과학자들은 암흑물질이 신기루라고 믿고 있습니다. 그들은 수정된 관성 버전, 즉 달로 알려진 아이디어를 지지하는데, 이는 대규모에서 중력이 예상과 다르게 작용하고 이것이 관측된 별과 은하의 회전을 설명한다고 추측합니다.

 

그러나 대부분의 전문가들은 현실의 많은 부분에 대한 우리의 이해를 수정해야 하는 알려진 물리학에서 그렇게 급진적으로 벗어날 필요성을 확신하지 않습니다. 암흑물질은 누구의 지식에도 불구하고 우주 팽창을 가속화하는 또 다른 신비한 현상인 암흑 에너지와 연관되어 있지 않습니다. 두 사람은 과학자들이 완전히 이해하지 못하는 것에 대해 자리 표시자로 자주 사용하는 '암흑'이라는 단어를 공유합니다.