우주 암흑물질, 넌 누구냐!

1933년 츠비키, 암흑물질의 존재를 발견하다
우주를 구성하는 성분으로 4%의 보통물질과 73%의 암흑에너지가 있어요. 보통물질은 지구나 태양 등의 구성성분이고, 암흑에너지는 우주를 팽창시키는 확인되지 않은 에너지를 말합니다.

▲ 은하단

그렇다면 나머지 23%는 무엇일까요? 이 물질을 바로 암흑물질이라고 부릅니다. 암흑물질은 전파·적외선·가시광선·자외선·X선·감마선 등과 같은 빛으로도 관측되지 않고 오직 중력을 통해서만 존재를 알 수 있답니다.

우리 은하에는 태양과 같은 별들이 2000억 개 정도가 있어요. 우주에는 우리 은하와 같은 은하가 적어도 수천 억 개나 존재해요.

어마어마하죠? 그런데 은하들은 여기저기 아무렇게나 흩어져 있는 것이 아니라 중력으로 상호작용하는 집단을 이루고 있답니다.

이렇게 은하들이 모인 집단을 은하단이라고 부르는데요. 몇 개의 은하로 이루어진 작은 은하단에서부터 수천 개의 은하로 이루어진 큰 은하단에 이르기까지 다양한 크기의 은하단이 있어요.

태양계에 속해 있는 여러 별들은 태양을 중심으로 돌고 있어요. 중력의 법칙에 의하면 이렇게 별이나 은하가 각각의 어떤 중심을 기준으로 회전할 때, 중심에서부터 멀어질수록 회전 속도는 느려져야 해요.

▲ 우리 은하

스위스 과학자 프리츠 츠비키(Fritz Zwicky)는 은하단의 중심을 도는 은하들의 운동속도를 관측하던 도중, 중력법칙으로 설명할 수 없는 빠른 운동을 하는 은하들을 발견했어요. 그는 은하단 가장자리를 도는 은하가 그렇게 빠른 운동을 하기 위해서는 그 은하 주변에 어떤 물질의 중력이 필요하다고 생각했어요. 그는 그 알 수 없는 물질을 ‘암흑물질’이라고 이름 붙였어요. 하지만 츠비키의 발견은 처음에는 많은 사람들의 관심을 끌지 못했답니다.

1978년 루빈, 암흑물질의 존재를 확신하다
츠비키 이후 몇몇 과학자들이 비슷한 현상을 목격했지만 암흑물질의 존재는 크게 관심을 받지 못했어요. 그러다 미국의 천문학자 베라 루빈(Vera Rubin)에 의해 다시 주목 받게 됐지요.

루빈은 안드로메다은하 내 별들의 속도를 관측했을 때, 은하 중심에서 가까운 곳에 있는 별들과 먼 곳에 있는 별들이 거의 같은 속도로 회전하고 있는 것을 발견한 거죠. 원래 루빈의 예상대로라면 은하의 중심에서 멀리 떨어질수록 은하 중심을 도는 별의 속도가 느려져야 했는데 말이에요.

과학자들은 이러한 현상에 무언가 있기는 있는 것 같은데 빛으로는 관측이 되지 않으니 중력에 의해 작용한다고 가정해 봤어요. 만약, 보이지 않는 어떤 물질이 있어서 전체적인 질량이 중심 부분에 집중돼 있지 않다면, 별들이 태양계의 행성들처럼 행동하지 않는 것을 설명할 수 있는 거죠. 은하단 가장자리 별들의 빠른 속도도 이 물질을 이용해 설명할 수 있는 거죠.
 

▲ 빛을 휘게 하는 중력렌즈 효과

중력렌즈 효과로 암흑물질을 확인하다
암흑물질은 직접 관측하는 것이 불가능하기 때문에 간접적으로 관측해야 해요. 과학자들은 중력렌즈 효과로 암흑물질의 존재를 확인하게 됩니다. 중력렌즈 효과란 먼 곳에서 오는 빛이, 질량이 큰 천체 주변을 지나오면서 볼록렌즈를 통과하듯 휘어서 지구에 도달하는 것을 말해요.

이때, 천체에 기본적으로 포함된 별이나 먼지, 기체와 같은 관측 가능한 모든 물질을 더해도 빛을 휘게 하기는 모자라답니다. 때문에 큰 질량을 가지려면 암흑물질이 반드시 존재해야 하죠.

암흑물질의 정체는 무엇일까?
우리는 아직 우주에 어떤 물질들이 있는지 정확히 알지 못해요. 우리가 밝혀낸 우주의 물질은 딸기우유에 들어있는 딸기 과즙의 양만큼이나 적습니다.

하지만 분명한 것은, 아직 밝혀지지 않은 물질들 덕분에 모든 별과 은하가 만들어졌고, 우주가 존재할 수 있었다는 거예요. 최근 암흑물질에 대한 여러 가지 단서를 발견했다는 연구들이 나오고 있지만 아직도 그 정체는 미궁에 빠져 있답니다.


*에듀진 기사 원문: http://www.edujin.co.kr/news/articleView.html?idxno=16545

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