암흑 물질 중력 우주론 천체물리학

2000년 3월 17일자 르 몽드 신문 기사 재인쇄

암흑 물질이 빛의 경로를 휘게 한다면, 그 존재는 분명하다

멀리 떨어진 은하의 이미지가 왜곡되는 현상은 거대한 보이지 않는 물체의 존재를 입증한다. 수년 동안 천문학자들은 우주에 있는 물질의 90%를 차지하는 암흑 물질을 규명하려 노력해왔다. 이 눈에 보이지 않는 물질의 본질을 설명하기 위해 다양한 가설이 제시되었는데, 질량이 큰 천체(갈색 왜성 등)나 기본 입자(중성자 등)가 그 예이다. 그러나 여전히 명확한 해답은 나오지 않았다. 따라서 이 물질은 아직 발견되지 않은 이론적 입자로 구성되어 있을 가능성도 있다. 천문학자들은 확실히 말한다. 우주의 90%에 해당하는 물질은 그들의 망원경에 포착되지 않는다. 사진에 나타나는 것은 은하와 그 안에 있는 수십억 개의 별들, 하늘을 수놓은 어두운 또는 밝은 성운, 그리고 그 생성 메커니즘이 완전히 이해되지 않은 거대한 에너지 폭발들뿐이다(...). 기술의 발전 덕분에 적외선, 자외선, X선, 감마선 영역에서 새로운 관측 창이 열렸다. 최근에는 중성자 천문학이 열리게 되었는데, 이는 우주의 질량에 상당한 기여를 할 수 있는 순간적인 입자들이다. 그러나 이론가들은 잘 알고 있다. 이런 노력에도 불구하고, 우주의 대부분은 천문학자들의 관측 범위(전체의 10%)를 벗어나 있다. 그래서 그들은 오랫동안 이 유명한 암흑 물질, 즉 우리 우주의 주요 구성 요소를 탐지하려 노력해왔다. 파리 천체물리학연구소의 한 연구팀은 프랑스 천문학자들(CEA 사클레이, 캐나다-프랑스-하와이 망원경(CFHT), 마르세유 우주 천문학 연구소)과 외국 연구자들(캐나다, 독일, 미국)과 협력하여 이 세계에 대한 새로운 창을 열었다. 이와 동시에 리처드 엘리스(케임브리지 대학, 캘텍)가 이끄는 영국팀과 타이슨(벨랩스, 뉴저지)이 이끄는 미국팀도 비슷한 결과를 부분적으로 확인하고 있다.

연구자들은 어떻게 보이지 않는 암흑 물질을 성공적으로 탐지하고 그 존재를 입증했을까? 그들은 빛이 거대한 질량(태양, 은하단 등) 근처에서 중력의 영향을 받아 휘어진다는 원리를 활용했다. 이 가설은 여러 차례 검증된 바 있다. 그러나 천문학자들은 암흑 물질이 희박하고 방대한 양으로 존재한다고 가정할 때, 같은 현상이 관측될 수 있는지 궁금해했다. 만약 그렇다면, 이 어둠의 물질은 보이지 않지만 그 존재를 드러낼 수 있을 것이다. '우주적 산란'이라고도 할 수 있다. 1991년, 파리 천체물리학연구소의 야닉 멜리에르는 "이론적으로는 먼 은하와 같은 천체가 암흑 물질의 거대한 질량이 빛의 경로를 지나는 곳에 있을 경우, 빛의 경로가 약간 왜곡되어 타원형으로 변형된 모습을 보일 수 있다"고 설명했다. 그러나 계산 결과, 이 '우주적 산란' 효과는 너무 미약해 감지하는 것은 거의 불가능하다고 여겨졌다. 게다가 당시 연구자들은 잠재적인 측정을 검증할 수 있는 이론적 모델도, 이를 수행할 수 있는 충분히 뛰어난 카메라도 부족했다. 이후 캐나다의 루도비크 반 와르벡이 이 연구 프로젝트에 적합한 데이터 처리 도구를 개발했고, CFH 12K 카메라가 개발되었다. 캐나다-프랑스-하와이 망원경으로 촬영된 약 20만 개의 멀리 떨어진 은하를 다섯 해에 걸쳐 분석한 끝에, 연구자들은 드디어 성과를 얻었다. CFHT가 촬영한 하늘의 배경 사진에 대해 적절한 처리를 한 후, 수백 개의 연한 녹색 타원형이 등장하는데, 이는 각각 은하를 의미한다.

그렇다면 이 현상이 은하에서 방출된 빛이 중력의 영향을 받아 휘어졌기 때문이라는 결론을 내릴 수 있을까? "분명히 그렇습니다(...)," 야닉 멜리에르는 답한다. 빛의 경로에 질량이 없을 경우(즉 중력 영향이 없을 경우), 심지어 타원형 은하도 작고 둥근 점으로 보인다. 반면 질량이 존재할 경우, 사진은 작은 타원형들로 가득 차 있다. 게다가 중력 효과는 이러한 은하들을 일정한 방향으로 배열하는 경향이 있다. 마치 자석이 자기장의 방향에 따라 철가루를 배열하는 것과 비슷하다. 아직 알려지지 않은 입자들. 이러한 미세한 왜곡과 은하들의 재배열이, 빛이 희박하고 보이지 않는 확산 물질의 필라멘트에 의해 경로가 휘어졌음을 입증한다. 이 물질은 밀도는 낮지만(태양이나 은하단과는 달리), 그 크기가 엄청나기 때문에 그 영향은 감지할 수 있다. 그 범위는 1억에서 10억 파섹(1 파섹은 약 3.36광년)에 이른다. 비교를 위해, 우리 은하의 최대 길이는 34,000 파섹에 불과하다. 프랑스 연구팀이 컴퓨터로 재구성한 3차원 모델에서는 이 효과가 매우 뚜렷하다. 우리가 지구까지 도달하는 빛은, 이 필라멘트 근처를 지날 때 계속해서 방향을 바꾸며, 공간을 차지하는 것처럼 '그뤼에르' 같은 구조를 형성한다. 이 구조는 우주의 역사와 그 형성 초기 조건을 알려주는 것이다. 왜냐하면 우리가 보지 못하는 암흑 물질은 별이나 우리가 구성된 물질과 다른 성질(바리온성)을 가진 물질이기 때문이다. 이론가들의 주장에 따르면, 이 물질은 아직 발견되지 않은 입자들—웨이크스, 아키온, 초대칭 입자 등—으로 이루어져 있을 가능성이 있다. 이제 새로운 문이 열렸다. 천문학자들은 곧 이 문을 통해 들어가게 될 것이다. 두 년 내에 CFHT에 설치될, 크기가 네 배 더 큰 메가카메라가 개발되었기 때문이다. 더 먼 미래에는 직경 1미터의 약 100대의 망원경으로 이루어진 네트워크를 구축하고, 폭발적인 별(초신성)을 연구하는 미국의 '스냅사트'(SNAPSAT) 위성을 발사하는 계획도 있다. 이 위성은 암흑 물질의 효과를 추적하는 데도 사용될 수 있다.

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