정체불명의 암흑물질, 그 어둠의 비밀 밝힐 ‘명탐정’은 누구일까

(41)정체불명의 암흑물질, 그 어둠의 비밀 밝힐 ‘명탐정’은 누구일까 [전문가의 세계 - 이명현의 별별 천문학]

ㆍ21세기 천문학의 난제

암흑물질에서 가스가 생성되는 모습을 컴퓨터 시뮬레이션으로 재현한 사진. 미국 매사추세츠공과대학( MIT ) 등의 공동연구팀이 2014년 5월 과학전문지 네이처에 발표한 연구 결과 중 일부다. 암흑물질이 있다고 가정한 뒤 시뮬레이션을 하면 현재와 비슷한 모습의 우주가 나타나지만, 암흑물질을 제외하면 지금과 달라진다. AP 연합뉴스

눈에 보이는 물질은 아니면서 그보다 훨씬 많은 질량을 지니고 있는 암흑물질은 중력적인 작용을 통해 주로 그 존재를 보여주고 있다

과학자들은 암흑물질의 대다수를 이루고 있는 것의 정체를 WIMPs 나 액시온 등 가상의 입자서 찾으려 하고 있지만 그 정체는 아직도 오리무중이다

어느 시대나 난제는 있기 마련이다. 암흑물질의 정체를 밝히는 작업은 21세기 천문학이 풀어야 할 난제 중 난제가 되었다. 암흑물질이 존재할 것이라는 생각은 오랜 역사를 갖고 있다. 관측한 별의 속도나 분산값이 관측된 물질의 양으로부터 계산한 값과 맞지 않는 현상이 생겼을 때, 아직 관측하지 못한 물질이 존재할 것이라는 추론을 하곤 했다. 스위스의 천문학자인 프리츠 츠위키는 은하단 크기에서 암흑물질의 존재를 이야기했다. 은하단 소속 은하들의 속도로부터 계산한 은하단 질량과 은하의 밝기와 개수로부터 결정한 은하단 질량 사이에 차이가 생겼다. 이 차이를 메우는 암흑물질이 존재해야 한다고 주장했다.

중력의 작용에 의해 생기는 관측값과 눈에 보이는 물질을 기반으로 얻은 결과값 사이에 차이가 생기는 경우가 종종 발생한다. 이 괴리 현상을 설명하기 위해 정체는 알 수 없지만 중력적인 작용을 통해 그 실체를 드러내는 어떤 실재하는 존재를 설정하는 것은 천문학의 오래된 전통이다. 암흑물질도 그런 전형적인 추론 과정에서 탄생했다.

1970년대가 되면서 암흑물질이 존재한다는 관측 증거들이 더 많이 나타나기 시작했다. 베라 루빈은 광학 스펙트럼 관측을 통해 얻은 은하의 회전속도곡선을 살펴봤다. 은하의 눈에 보이는 물질(즉 별들)의 양으로부터 추정한 은하의 질량을 은하의 회전속도곡선으로부터 계산한 은하의 질량과 비교했다. 차이가 생겼다. 은하의 회전속도곡선으로부터 계산한 은하의 질량이 훨씬 컸다. 이 상황을 설명하기 위해서는 아직 그 정체는 모르지만 질량을 갖고 있는 무엇인가가 존재해야 했다. 암흑물질의 등장이다. 눈에 보이는 물질이 아닌 중력적으로 상호작용을 하는 물질을 암흑물질이라고 이름 붙였다.

전파망원경을 여러 대 연결해 하나의 거대한 전파망원경처럼 구성해 관측을 하는 전파간섭계가 발달하면서 은하의 관측에도 영향을 미쳤다. 주로 21㎝ 파장에서 나선은하의 바깥쪽까지 멀리 뻗어 있는 중성수소의 움직임을 정밀하게 관측할 수 있게 되었다. 루빈의 관측이 별들이 존재하는 은하의 안쪽 부분에 그쳤다면 간섭계 전파망원경으로는 은하의 바깥쪽 영역을 탐색할 수 있었다. 관측된 은하의 회전속도곡선은 은하의 바깥쪽에서도 주로 편평한 모습을 보였다.

은하의 바깥 영역에서는 별들의 밀도가 낮다. 주로 중성수소 같은 가스들로만 이루어져 있다. 다시 말하면 질량이 작은 영역이라는 것이다. 눈에 보이는 별과 가스의 양으로 계산한 중력장으로부터 재구성한 은하의 회전속도곡선은 안쪽에서 제일 큰 값을 보이고 바깥으로 갈수록 감소하는 모습을 보였다. 그런데 간섭계 전파망원경으로 관측한 은하의 회전속도값은 바깥쪽에서도 큰 값을 유지했다. 은하의 바깥 영역에 큰 회전속도값을 유지할 수 있도록 해주는 보이지 않는 질량이 있어야만 한다는 이야기다.

내가 유학을 갔던 네덜란드의 흐로닝언대학교 천문학과는 간섭계 전파망원경을 사용한 은하 회전속도곡선 관측의 중심지였다. 이를 바탕으로 나선은하에서의 암흑물질 연구가 활발하게 이루어지고 있었다. 내 박사학위 논문에도 나선은하의 회전속도 관측이 포함되었음은 물론이다. 개별 은하에 대한 관측뿐 아니라 은하단에 속한 나선은하의 관측도 활발하게 이루어졌다. 은하의 회전속도곡선 관측으로부터 나온 결과는 나선은하 내에 암흑물질이 존재해야 한다는 사실을 다시 확인시켜줬다. 은하의 바깥쪽에서도 속도가 줄어들지 않는 편평한 회전속도곡선은 여전히 암흑물질의 존재를 보여주는 가장 강력한 관측적 증거로 남아 있다.

은하단에 속한 은하들의 속도 분포도 은하단 크기에서 암흑물질이 존재해야만 한다는 사실을 지지하고 있다. 은하단에 의한 중력렌즈 효과 관측이 활발해지면서 중력렌즈를 일으키는 주체인 은하단의 전체 질량을 계산하는 독립된 관측 도구를 갖게 됐다. 이렇게 계산한 은하단의 질량은 개별 은하의 눈에 보이는 물질의 양을 더한 질량과 큰 차이를 보였다. 은하단에서의 암흑물질의 존재를 필요로 하는 관측 결과들이 많이 나오고 있다.

영국 왕립천문학회가 발행하는 천문학 저널인 ‘ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society’ 2020년 3월호에 흥미로운 논문이 한 편 실렸다. 영국의 유니버시티 칼리지 런던 소속 니얼 제프리( Niall Jeffrey ) 연구팀이 쓴 ‘ Deep learning dark matter map reconstructions from DES SV weak lensing data’ 라는 제목의 논문이다. 딥러닝 방법을 활용해 중력렌즈 관측 자료로부터 암흑물질에 관한 정보를 찾아보겠다는 것이다. 인공지능 알고리즘을 활용해 방대한 관측 자료로부터 의미 있는 결과를 추출해내는 것은 이제 거의 상식이 됐다. 그동안 미처 건드리지 못했던 막대한 양의 관측 자료를 인공지능 알고리즘의 도움으로 살펴본다면 훨씬 더 체계적으로 암흑물질 분포에 대한 연구를 진행할 수 있을 것이다.

우주배경복사를 관측한 우주망원경 자료들을 분석한 결과도 암흑물질이 존재해야 한다는 결론을 내리고 있다. 플랑크 우주망원경이 관측한 자료를 분석한 결과, 암흑물질은 우주 전체의 물질-에너지 총량의 27%를 차지하는 것으로 나타났다. 눈에 보이는 물질이 5%를 차지하고 나머지 68%는 암흑에너지의 몫이다. 다른 관측에서는 조금 다른 결론에 도달하기도 하지만 암흑물질의 비율은 크게 다르지 않다. 앞서 언급한 관측과는 다른 방식의 독립된 관측을 통해서도 거시적인 스케일에서 암흑물질의 존재를 확인하고 있는 것이다.

암흑물질이 존재해야만 한다는 것은 여러 다른 레이어에서의 관측을 통해 확인되고 있다. 우주의 거대구조물로부터 은하에 이르기까지 그 형성 과정을 설명하는 이론에서도 현재 우주의 모습을 구현하기 위해서는 암흑물질이 존재해야 한다고 말하고 있다. 다른 여러 독립된 우주론적 관측에서도 비슷한 결론을 내고 있다.

초신성(왼쪽 아래 밝은 점)과 은하수(오른쪽 위 가운데) 사이의 블랙홀(가운데)로 인해 발생한 중력렌즈 효과를 이미지화한 사진. phys.org

가상 입자가 포착되고 암흑물질의 정체로 판명된다면 우주론에 큰 변화가 생길 것이고 또 우주에서 물질의 형성 이론도 새롭게 쓸 수 있게 될 것이다

21세기는 암흑물질의 정체를 찾아가는 긴 여정으로 기록될 가능성이 높고 우리는 그 과정을 동시대적으로 따라가는 재미를 느낄 수 있을 것이다

눈에 보이는 물질은 아니면서 그보다 훨씬 많은 질량을 지니고 있는 암흑물질은 중력적인 작용을 통해 주로 그 존재를 보여주고 있다. 그렇다면 암흑물질의 정체는 무엇일까. 앞에서 이야기한 결과들은 암흑물질의 상호작용 결과를 보여준다. 특성을 보여주지만 그 정체에 대해서는 정보를 제공하지 못한다. 여전히 보통물질이라고 할 수 있는 천체들도 그 후보가 될 수 있다. 블랙홀이나 중성자별 그리고 백색왜성 같은 별들이 죽은 후 생성되는 천체들이 후보가 된다. 이들은 질량을 갖고 있어 중력적으로 영향을 주고받지만 눈에 보이지 않거나 어두워서 잘 보이지 않는다. 아주 작은 갈색왜성도 그 후보가 될 것이다. ‘ Massive compact halo objects ( MACHO )’ 프로젝트는 이런 천체들을 찾아보려는 시도였다. 실제로 이 프로젝트를 통해 암흑물질을 찾았다. 하지만 그 양은 필요한 암흑물질량을 메우기에는 턱없이 부족했다. 결론은 이런 종류의 암흑물질이 존재하지만 그 양은 미미하다 정도가 되겠다.

뉴트리노도 암흑물질의 후보였다. 뉴트리노는 아주 작지만 질량을 갖고 있다. 그리고 그 수가 엄청나게 많다. 그래서 한때 암흑물질의 정체가 바로 뉴트리노라고 기대한 적도 있다. 하지만 관측 결과 그 총량은 역시 암흑물질량을 설명하기에는 역부족인 것으로 드러났다. 암흑물질이라고 부를 만한 것들이 일부 밝혀졌지만 암흑물질의 대다수를 차지하고 있는 것의 정체는 여전히 미궁 속에 있다.

이런 상황에서 현재 과학자들은 암흑물질의 대다수를 이루고 있는 것의 정체를 가상에서 찾으려 하고 있다. 많은 후보들이 제안되었다. ‘ Weakly interacting massive particles ( WIMPs )’라고 부르는 가상의 입자가 꾸준히 관심을 끌고 있다. 사실 WIMPs 의 이론적 정의도 명확하게 내려져 있는 것은 아니다. 표준입자에 비해 큰 질량을 갖고 주로 약력과 중력을 통해서만 상호작용을 하는 가상의 입자라고 이해하면 무리가 없을 것이다. 이 가상 입자를 포착하기 위한 노력이 계속되고 있다.

액시온은 다른 이유에서 제안된 가상의 입자인데, 암흑물질의 정체가 이 가상 입자가 아닐까 하는 생각을 하는 과학자들도 있다. 현대 우주론의 한 축을 담당하고 있는 급팽창 이론에 의하면 초기 우주에서 액시온이 발생할 수 있다. 만약 액시온이 작은 질량을 갖는다면 초기 우주에 생겨난 액시온이 우주 전체에 퍼져 있을 수 있다는 것이다. 암흑물질 후보로 손색이 없다.

암흑물질의 존재는 확고한 것 같다. ‘암흑물질이라는 어떤 것이 존재해야만 한다는 사실이 확실한 것 같다’라고 하는 것이 더 정확한 표현일 것이다.

암흑물질의 존재는 어느 한 관측 결과나 이론으로부터 나온 것이 아니라 서로 얽혀 있거나 또는 독립된 여러 이론과 관측으로부터 수렴된 결과로부터 추론된 것이다. 그만큼 확고한 결과라는 것이다. 단순히 몇몇 관측 결과가 다르게 나온다고 해서 암흑물질 존재를 부인할 수는 없을 것이다.

하지만 암흑물질의 정체는 여전히 오리무중이다. 이미 알려져 있는 종류의 물질에 대한 관측 결과는 만족스럽지 못하다. 물리학자들이 제안한 가상 입자들의 포착에 기대를 하고 있는 형편이다. 가상 입자가 포착되고 암흑물질의 정체로 판명된다면 우주론에서도 큰 변화가 생길 것이다. 표준입자 모형의 수정을 앞당길 것이다. 우주에서 물질의 형성 이론도 새롭게 쓸 수 있게 될 것이다. 이는 우주의 거대구조나 은하의 형성에 대한 더 정밀한 정보를 제공할 것이다.

거의 모두 암흑물질의 존재를 받아들이고 있는 상황을 변동시키려면 거기에 어울리는 획기적인 관측 결과가 있어야 할 것이다. 그럴 가능성은 언제든 열려 있다. 하지만 그렇다고 말하려면 산을 넘고 또 넘어야 할 것이다. 아주 잘 알려진 관측 결과와 그것을 일으키는 것의 정체를 거의 모르는 상황이 공존하는 것이 현대 천문학의 현실이다. 21세기는 암흑물질의 정체를 찾아가는 긴 여정으로 기록될 가능성이 높다. 그 과정을 함께 동시대적으로 따라가는 재미를 느낄 수 있는 기회가 우리에게 주어져 있다. 과학자들의 건투를 빈다.

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