암흑 물질은 원시 블랙홀로 발생해 진화했을 수 있다

암흑 물질은 우주의 대부분을 구성하지만, 찾기 힘든 물질입니다. 이러한 특성에 따라 일각에서는 "암흑 물질이 블랙홀로 만들어졌을까"라는 질문이 제기됐고, 일부 천문학자들은 이러한 가능성이 높다고 봤습니다. 메릴랜드주 나사 고더드 우주 비행 센터의 천문학자 알렉산더 카슬린스키는 "빅뱅 직후 형성된 블랙홀이 레이저 간섭계 중력파에 의해 생성된 파동 또는 시공간 파동의 관찰을 완벽하게 설명할 수 있다"라고 봤습니다. 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)는 초기 우주에 대한 이전 관측도 함께 진행했습니다. 카슬린스키의 주장이 옳을 경우, 암흑 물질은 이러한 원시 블랙홀로 구성되었을 수 있습니다. 또한 모든 은하계는 광대한 블랙홀 영역 내에 묻혀 있을 수 있으며, 초기 우주는 과학자들이 생각했던 것과 다르게 진화했을 수 있습니다.

 

지난 2005년 카슬린스키와 그의 동료들은 나사의 스피처 우주 망원경을 이용해 우주에서 발견되는 적외선의 배경 빛을 탐색했습니다. 지구상의 천문학자들은 우주 물체에서 나오는 빛이 우주를 여행하는 데는 유한한 시간이 걸리기 때문에 먼 물체를 과거에 보았던 것과 같은 방식으로 탐색합니다. 카슬린스키의 연구팀은 망원경을 통해 개별 은하를 포착할 수 있는 곳 너머의 초기 우주를 볼 수 있길 바랐습니다. 카슬린스키는 "멀리서 뉴욕을 바라본다고 가정해 보자"라고 예시를 들었습니다. 이어 그는 "개별 가로등 기둥이나 건물을 볼 수는 없지만, 그들이 생성하는 누적 확산광은 볼 수 있다"라고 설명했습니다.

 

연구자들이 우주 전체에 걸쳐 알려진 은하에서 모든 빛을 제거했을 때도 여전히 과잉 빛, 즉 130억 년 이상 전에 우주를 밝힌 최초의 광원에서 나오는 배경 빛을 감지할 수 있었습니다. 이후 2013년 이 연구 그룹은 나사의 찬드라 X선 관측소를 사용해 전자기 스펙트럼의 다른 부분인 X선에서 배경 빛을 탐색했습니다. 놀랍게도 적외선 배경의 패턴은 X선 배경의 패턴과 완벽하게 일치했습니다. 카슬린스키는 "적외선과 X선 모두에서 이것을 생성할 수 있는 유일한 소스는 블랙홀"이라고 짚었습니다. 다만 당시 이들은 이것이 원시 블랙홀일 수 있다는 생각은 전혀 하지 못했습니다.

 

이후에는 LIGO의 감지가 이어졌습니다. 2015년 이 관측소는 한 쌍의 블랙홀이 충돌하여 생성된 중력파, 즉 시공간 자체의 우주 파문을 최초로 직접 감지했습니다. 이것은 블랙홀 주변의 조명 물질을 보는 것과는 대조적입니다. 해당 결과는 천문학자들이 강력한 천문학적 사건으로 생성된 이러한 고유 신호를 수집하고 처음으로 블랙홀을 직접 감지할 수 있는 새로운 발견 시대의 시작을 의미합니다.

 

다만 존스 홉킨스 대학의 천문학자인 시메온 버드는 "이번 발견이 훨씬 더 중요할 수 있다"라고 주장했습니다. 버드는 "LIGO가 발견한 두 개의 블랙홀이 원시일 수 있다"라고 지적했습니다. 원시 블랙홀은 죽은 별의 붕괴로 형성되지 않습니다. 죽은 별이란 우주 역사에서 상대적으로 늦게 발생하는 블랙홀 형성에 대해 더 일반적으로 알려진 메커니즘입니다. 빅뱅 직후, 우주 전체에 음파가 방사되면서 원시 블랙홀이 형성됐습니다. 이러한 음파가 가장 밀집된 지역은 붕괴되면서 블랙홀을 형성했을 수 있습니다. 카슬린스키는 "피자 반죽을 디스크로 회전시키는 것을 생각해 보자"라고 제안하며, "시간이 지나면 피자 반죽의 질감에 구멍이 있다는 것을 알게 될 것"이라고 말했습니다. 카슬린스키의 설명에 따르면 그 구멍이 원시 블랙홀이라는 점을 제외하면 시공간도 마찬가지입니다.

 

이러한 원시 블랙홀은 현재로서는 가설로 남아 있습니다. 그러나 버드의 주장에 깊은 인상을 받은 카슬린스키는 가설을 한 단계 더 발전시켰습니다. 카슬린스키는 이러한 원시 블랙홀이 우주의 진화에 미칠 영향을 조사했습니다. 버드는 암흑 물질이 블랙홀로 구성되었을 수 있다고 보고한 최초의 과학자는 아니지만, 이러한 아이디어 모두가 원시 블랙홀과 관련된 것은 아닙니다. 우주 역사의 처음 5억 년 동안 암흑 물질은 후광이라는 덩어리로 붕괴되었습니다. 카슬린스키는 "이것은 나중에 물질이 축적되어 최초의 별과 은하를 형성할 수 있는 중력 씨앗을 제공했다"라고 이야기했습니다. 그러나 만일 해당 암흑 물질이 원시 블랙홀로 구성되어 있었다면 이 과정은 훨씬 더 많은 후광을 생성했을 것입니다. 이 과정은 카슬린스키와 그의 동료들이 몇 년 전 관찰했던 과도한 우주 적외선 및 X선 배경을 모두 설명할 수 있습니다.

 

적외선 광선은 후광 내에 형성된 가장 초기의 별에서 나옵니다. 별은 광학광과 자외선을 방출하지만, 우주의 팽창은 자연적으로 그 빛을 늘립니다. 이에 따라 최초의 별은 지구상 천문학자들에게 나타나 적외선을 발산하게 됩니다. 초기 별은 추가 후광이 없어도 적외선 빛을 생성할 수 있지만, 카슬린스키는 "우리가 관찰한 정도는 아니다"라고 강조했습니다. 그는 이어 "이 별들을 만들어낸 가스도 원시 블랙홀에 떨어졌을 것이고, X선을 촉발할 만큼 충분히 높은 온도로 가열되었을 것"이라며, "우주 적외선 배경은 원시 블랙홀을 추가하지 않고도 설명할 수 있지만, 우주 X선 배경은 설명할 수 없다"라고 부연을 더했습니다. 원시 블랙홀은 두 관측을 서로 연결하며, 카슬린스키는 "모든 것이 놀라울 정도로 잘 어울린다"라고 전했습니다. 원시 블랙홀은 때때로 서로 궤도를 돌기 시작할 만큼 충분히 가까워졌을 수도 있습니다. 시간이 지나면서 두 개의 블랙홀은 함께 나선을 그리고, 잠재적으로 LIGO가 감지한 것과 같은 중력파를 방출하게 됩니다. 다만 이러한 물체가 원시인지 아니면 우주 역사상 나중에 형성되었는지 확인하기 위해서는 블랙홀에 대한 더 많은 관찰이 필요합니다.