암흑물질(2)

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<암흑물질 확인>

암흑물질이 설사 존재한다하더라도 빛에 반응하지 않으므로 우리 눈에 보이지는 않는다. 그러나 학자들은 암흑물질이 존재한다면 일반 물질에 가하는 중력 때문에 간접적인 방식으로 존재를 확인할 수 있다고 설명했다. 은하의 빛이 지구로 오는 동안 어떻게 구부러지는지, 즉 중력 렌즈 효과가 어떻게 나타나는지 밝혀내 빛을 구부러지게 만드는 암흑물질의 위치를 밝힐 수 있다는 것이다.

레이나 마루야마(1973~)

현재 암흑물질의 존재는 확실한 사실로 받아들여지고 있지만 문제는 이를 어떻게 검출해 내느냐는 것이다. 레이나 마루야마(Reina Maruyama) 예일대 물리학교수는 4×2배열로 탈륨이 첨가된 요오드화나트륨 결정체 106㎏을 사용한 여덟개의 낮은 배경을 사용하여 우주공간에서 날아오는 암흑물질 입자가 요오드화나트륨의 원자핵과 충돌할 때 방출되는 광자를 포착하는 장치를 개발했다. 요오드화 나트륨 결정집합체를 빛 발광 액체(2200리터)에 담그면 결정체에 의해 관측된 방사성 배경을 식별한 다음 이를 감소시키게 된다. 이 검출기는 구리와 납 및 플라스틱 차폐요소로 만들어진 중첩된 차폐기 안에 들어있어 우주방사선을 비롯한 외부 방사선 유입을 억제한다. 이는 그동안의 검출기를 크게 개선시킨 것으로 보다 정확한 암흑물질에 대한 정보를 확보할 수 있을 것으로 예상되었다.

암흑물질이 워낙 매력적이므로 많은 천문학자들이 이의 규명에 도전했지만 번번이 검증에 실패했다. 일본에서 암흑물질의 위치를 처음으로 확인한 것은 물론, 우주의 거의 모든 영역에 분포돼 있다고 발표했다. 물론 이를 직접 측정한 것은 아니다.

암흑물질은 빛에 반응하지 않기 때문에 우리 눈에 보이지는 않지만 그것이 일반 물질에 가하는 중력 때문에 간접적인 방식으로 존재가 확인되는데 일본에서 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 무려 2,400만개의 은하에 관한 자료를 모델로 만들었다.

인공지능으로 예측한 우리은하 주변 1억 광년 내의 3차원 암흑물질 분포와 운동 방향. 좌표 가운데 검은색 'X'는 우리은하의 위치를 표시한다. 작은 검은 점들은 우리은하 주변에 위치한 잘 알려진 외부 은하다. 빨간색 영역은 암흑물질 밀도가 높은 곳이며 파란색 영역은 암흑물질 밀도가 비교적 낮은 곳임을 의미한다. 화살표는 암흑물질의 운동 방향을 나타낸다. 은하와 은하 사이를 연결하는 암흑물질들이 미세한 실가닥처럼 분포하는 것을 확인할 수 있다. 천문연 제공.

이들은 암흑물질이 각 은하들로부터 은하 간 우주까지 뻗어 있고 부근의 다른 은하들로부터 나오는 암흑물질과 겹쳐지면서 우주 전체를 감싸는 그물망을 형성한다는 사실을 발견했다. 특히 은하의 빛이 지구로 오는 동안 어떻게 구부러지는지, 즉 중력 렌즈 효과가 어떻게 나타나는지 계산하여 빛을 구부러지게 만드는 암흑물질의 위치를 밝힐 수 있었다고 발표했다.

그들은 우선 은하들은 다른 은하들로부터 수백만 광년의 거리를 두고 분리된 뚜렷한 테두리 안의 한정된 영역이 아니라고 주장했다. 따라서 `은하간 우주'라는 용어 자체도 맞지 않는다는 것이다.

은하들은 실제로는 눈에 보이는 일반 물질이 중심부에 몰려 있고 가장자리를 암흑물질 그물이 감싸고 있는 모양으로 추정한다. 암흑물질은 이웃 은하까지 절반 거리는 가지런하게 펼쳐져 있어 우주는 은하와 관련된 물질로 채워져 있다는 것이다.

한가지 흥미로운 사실은 우리가 `은하'라고 부르는 것은 이처럼 연결되는 물질분포가 가장 높은 밀도를 이루는 것에 지나지 않는다고 설명했다.

그들은 각 은하의 중심부로부터 1억 광년에 걸쳐 암흑물질이 분포돼 있는 모습을 지도로 작성했는데 이들이 제시하는 암흑물질의 분포는 ‘무작위적이거나 획일적이지 않으며 매우 가지런하다'고 밝혔다.

2004년부터 제외된 CDMS 매개변수 공간. DAMA 결과는 녹색 영역에 위치하며 허용되지 않음

참고적으로 많은 학자들이 암흑물질을 추적하고 있는데 과학자들은 암흑물질이 윔프(WIMP: 약하게 상호작용하는 질량이 큰 입자)로 이루어져 있을 것으로 추정하고 있다. 윔프는 질량이 양성자의 몇 배가 되며 중력과 약한 원자력을 통해서만 상호작용을 한다.

중력을 이용한 간접적인 방식의 계산 결과 암흑물질은 우주를 차지하는 물질과 에너지중 22%를 차지하는 것으로 밝혀졌다. 이는 그동안 제기된 숫자와 정확히 일치하지는 않지만 상당히 근접해 있는 것은 사실이다.

알파자기분광기 (AMS)

 

일본측의 발표가 나오자마자 유럽입자물리연구소(CERN) 연구진은 국제우주정거장(ISS)에 설치된 알파자기분광기(AMS)가 우주 생성의 비밀을 밝혀 줄 ‘암흑물질(Dark Matter)’의 흔적을 발견하는 데 성공했다고 발표했다.

AMS는 세계에서 가장 정밀한 입자 물리 분광기로 2011년 ISS 외부에 설치됐는데 2011년 우주정거장 설치 후 약 1년반 동안 약 40만 개의 양전자를 포착했다고 밝혔다.

이들에 의해 ‘어둠’ 속에 숨어 있던 암흑물질(Dark Matter)이 서서히 모습을 드러내고 있다는 설명이다. 암흑물질은 우주의 4분의 1가량을 차지하고 있는 것으로 추정되지만, 아직 그 실체가 밝혀지지 않은 물질이다. 흔히 ‘우주 최대 미스터리’ 중 하나로 꼽힌다.

최초로 관측된 양전자 의 운실 사진 . 굵은 가로선이 납판. 양전자는 왼쪽 하단의 구름 상자에 들어가 리드 평면에 의해 속도가 느려지고 왼쪽 상단으로 휘어졌다. 경로의 곡률은 이미지 평면에 수직으로 작용하는 적용된 자기장에 의해 발생. 들어가는 양전자의 에너지가 높을수록 경로의 곡률이 낮아진다

양전자는 전자의 ‘반(反)물질’이다. 질량·전기량 등은 전자와 같지만 전기 성질은 양(+)으로 반대다. 연구진은 이 양전자가 암흑물질로부터 왔을 것으로 추정했다. 암흑물질의 유력한 후보는 일반 물질과 ‘약한 상호작용을 하는 무거운 입자(WIMP)’다. WIMP 역시 물질·반물질 쌍으로 이뤄져 있을 것으로 추정된다. 물질과 반물질이 만나면 빛(에너지)을 내며 함께 소멸하는데, WIMP 입자의 쌍소멸 때 나온 양전자 일부가 AMS의 전자석에 포착됐을 것이란 게 연구진의 추측이다.

근거는 두 가지다. 첫째는 양전자가 발견된 에너지대가 연구진이 예상한 암흑물질 쌍소멸 에너지대와 일치한다. 둘째는 양전자가 날아온 방향이다. 양전자는 빠른 속도로 회전하는 중성자별(펄사)에서도 방출된다. AMS에 포착된 양전자가 이런 별에서 날아온 것이라면 방향이 일정해야 한다. 하지만 실제 남은 양전자의 흔적은 일정한 방향성 없이 제각각이었다.

AMS가 암흑물질의 단서를 발견했다는 소식에 세계 과학계는 환호했다. 여태껏 풀리지 않던 미스터리가 풀릴지 모른다는 기대감 때문이다.

사무엘 팅(1936~)1976년 노벨물리학상

하지만 1976년 노벨상 수상자이자 AMS 연구를 주도하고 있는 미 MIT대의 사무엘 팅 교수는 신중한 태도를 보였다. 그는 “좀 더 연구를 진행해 모든 게 확실해진 뒤 (정식) 논문을 발표할 것”이라고 말했다. 학계는 암흑물질의 정확한 정체가 확인되는 데 수년 정도의 시간이 더 걸릴 것으로 예상한다.

 

<암흑물질 확인>

그런데 2018년 암흑물질이 확인되었다고 발표되었다.

보통 물질과 상호작용을 거의 하지 않는 기본입자인 뉴트리노(중성미자·그리스 문자 ν로 표시)의 파동과 부딪힌 보통 물질의 원자핵이 통째로 아주 살짝 밀려 나가는 현상이 처음으로 관측됐기 때문이다.

첫 중성미자 관측(1956년)

뉴트리노는 전기적으로 중성이며 질량이 거의 없는 매우 작은 입자다. 광속과 구별이 어려운 초고속으로 움직이면서도 보통 물질과 거의 반응하지 않아 '유령 입자'라는 별명이 붙었다.

'결맞음 탄성 뉴트리노 핵 산란'(Coherent Elastic Neutrino Nucleus Scattering·CEνNS)이라고 불리는 이런 현상은 1974년에 이론적으로 발표되었으나 당대에 관측은 불가능했다.

그런데 43년 만에 이들에 대한 관측이 이뤄졌다는 발표다. 이들의 중요성은 우주 질량의 80%를 차지하는 것으로 추정되나 천문학적으로 직접 관측되지 않고 있는 '암흑물질(dark matter)‘과 암흑에너지의 성질을 규명하고 현재 지구 등 행성의 구성 물질을 만들어낸 초신성 폭발의 메커니즘을 밝힐 수 있다고 알려지기 때문이다.

SN 2015F 초신성의 폭발 모습. 맨 왼쪽 3월 7일 이미지에 아무 천체가 없던 자리에서(화살표로 표시) 3월 8일 초신성이 나타난 것을 볼 수 있다. 이후 3월 9일과 3월 10일 이미지를 보면 초신성이 점점 더 밝아진다. 이렇게 초신성이 폭발하는 모습을 하루 빈도로 촬영하는 데 성공한 예는 세계적으로 몇 되지 않는다. ⓒ 미래창조과학부 2015

이러한 성과는 매우 정밀한 측정이 가능했기 때문이다. 그동안 암흑물질에 대한 연구가 불가능하다고 생각한 것은 가벼운 탁구공이 무거운 투포환과 부딪혔을 때 투포환의 미세한 움직임을 포착하기보다 훨씬 더 어렵다고 생각했기 때문이다.

그런데 미국 오크리지 국립연구소, 한국 기초과학연구원(IBS) 등이 포함된 다국적 연구팀 80명의 과학자가 참여한 국제 공동연구진 '코히어런트 콜래버레이션'은 CEνNS 관측 결과를 발표했다.

뉴트리노는 원자핵이 붕괴하거나 핵끼리 융합하는 과정에서 방출되며, 핵융합이 일어나는 태양의 중심부에서도 발생한다. 태양에서 나온 뉴트리노는 지구에서도 손톱 크기 면적에 초당 수천억 개 정도가 지나갈 정도로 많다고 추정하지만 '유령 입자'라는 별명처럼 이를 관측하는 것이 간단한 것은 아니다.

학자들은 미국 오크리지 국립연구소의 '파쇄(破碎) 중성자 소스'로 불리는 연구시설을 이용해 뉴트리노 빔을 발생시키고, 이 빔을 검출기에 쏘아 실험했는데 이들에 대한 자료가 확보되었다는 것이다.

물론 이 결과로 암흑물질 자체를 규명한 것은 아니라는 설명이다. 그러나 동 연구에 참여한 유종희 교수는 그동안 이론적으로만 제시됐던 중성미자의 결맞음 상호작용을 최초로 입증한 연구 결과이며, 암흑물질 검출 실험의 중대한 방해요소 중 하나인 중성미자의 중요한 특성을 이해한 것이라고 설명했다. 암흑물질도 서서히 모습을 밝혀낼 수 있을지 모른다는 뜻이다.

여기에서 중성미자는 상당한 의미를 갖고 있다.

중성미자는 다른 기본 입자들과 매우 약하게 반응해 '유령입자'라는 별명으로도 불리며 전자와 뮤온, 타우(tau) 등 세 가지 종류로 형태가 수시로 바뀐다. 비활성 중성미자는 이론적 존재가 제기됐지만, 실험을 통해 입증되지는 못해왔다. 기존 중성미자는 자연계에 존재하는 4가지의 입자 간 기본 힘 중 약력과 중력에 상호작용 하지만 비활성 중성미자(sterile neutrino)는 중력 상호작용만 해 다른 중성미자의 형태와 섞였을 때만 감지할 수 있다고 알려졌기 때문이다.

비활성 중성미자가 많은 학자들의 관심을 끈 것은 이 입자가 중력의 영향은 볼 수 있지만 다른 식으로 상호작용은 하지 않아 우주의 암흑물질을 설명할 수 있을 것으로 추정했기 때문이다.

물론 이들 측정결과가 모든 학자들로부터 지지를 받은 것은 아니다. 아직 갈 길이 멀다는 뜻이다. 앞으로 계속 연구가 필요하다는 뜻으로 그만큼 암흑물질 규명이 중요한 요소가 되었다는 것을 의미한다.

 

참고문헌 :

「우주 존재이유는 물질·반물질의 1%차 때문」, 이인묵, 조선일보, 2010.05.19.

「우주비밀 밝혀지나. 암흑물질 분포 최초 확인」, 코리아헤럴드, 2012.02.15

「대폭발이론이 태어나기까지」, 라대일, 과학동아, 1992년 12월

「141억년 우주의 과거, 자외선으로 되돌아본다」, 이영완, 『조선일보』 2004년 6월 21일

「우주 나이는 1조년이다」, 이상협, 동아사이언스, 2006.5.18.

「우주 존재이유는 물질·반물질의 1%차 때문」, 이인묵, 조선일보, 2010.05.19.

「암흑물질 발견 20년 논란 해결, 김병희, 사이언스타임스, 2011.02.06

「우주비밀 밝혀지나. 암흑물질 분포 최초 확인」, 코리아헤럴드, 2012.02.15

「우주탄생 신비 풀 암흑물질 단서 찾았다」, 김한별, 중앙일보, 2013.04.05.

「지하 1천m에서 밝혀진 ‘유령입자’」, 이성규, 사이언스타임스, 2004.10.12.

「아인슈타인의 진화하는 우주」, 마르시아 바르투시아크, 내셔널지오그래픽, 2005년 5월

「우주질량 80% 차지한 '암흑물질' 정체 밝혀지나」, 노벨사이언스, 2017.08.04.

「입자물리학계, 제4중성미자 검출 놓고 논쟁암흑물질 설명할 수 있는 '비활성 중성미자'」, 노벨사이언스, 2018.06.08

『과학, 그 위대한 호기심』, 서울대학교 자연대 교수 외, 궁리, 2002