우주 속 암흑 물질의 지도화
전쟁 준비!
모든 언론이 이 이야기를 다뤘다. 우리는 보이지 않는 것을 지도화했다. 얀니크 메이에르와 그의 연구팀은 은하의 이미지를 왜곡시키는 중력 렌즈 효과를 기반으로, 아직 관측되지 않은 물질이 그 원인이라고 가정하여 우주의 일부를 처음으로 3차원 지도로 그려냈다. 이에 따라 연구소에서는 큰 열기와 활기가 넘친다. 천체물리학자들은 이러한 접근에 자극을 받아, 모든 모델에 암흑 물질을 포함하려는 준비를 하고 있다. 이론 물리학자들은 자신들의 상상 속에서 탄생한 가장 이례적인 입자들, 예를 들어 '중성이노' 같은 입자들에게 새로운 응용 가능성을 발견하게 되었다. 이 모든 사람들은 6월 13일부터 15일까지 몽피에유 대학에서 모여 암흑 입자 연구를 전담할 연구소 설립 가능성에 대해 논의할 예정이다. 이 연구소는 CNRS 산하의 '우주 과학 연구소'(INSU)의 후원을 받게 된다.
...................아래는 유명한 지도입니다:
같은 지도를 단면으로 본 모습:
하지만, 대중의 목소리가 신의 목소리다. 2000년 3월 17일자 '몽드' 신문 기사의 재인쇄:
암흑 물질이 빛의 경로를 휘게 한다면, 그 존재는 분명하다.
멀리 있는 은하의 이미지가 왜곡된다는 사실은, 거대한 보이지 않는 물체의 존재를 증명한다.
수년간 천문학자들은 우주에 존재하는 물질의 90%를 차지하는 암흑 물질을 찾아왔다. 이 물질이 망원경으로 관측되지 않는 이유를 설명하기 위해 다양한 가설이 제시되었다. 대표적인 것은 질량이 큰 천체(갈색 왜성 등)와 기본 입자(중성미자 등)이다. 그러나 이 모든 가설들은 아직도 충족되지 않았다. 따라서 이러한 물질은 아직 발견되지 않은 이론적 입자들로 이루어져 있을 가능성이 높다.
천문학자들은 확실히 말한다. 우주의 90%는 망원경의 시야를 벗어나 있다. 사진에 나타나는 것은 은하와 그 안에 있는 수십억 개의 별들, 하늘을 장식하는 어두운 혹은 밝은 성운, 그리고 생산 메커니즘이 아직 완전히 이해되지 않은 거대한 에너지 폭발뿐이다(...). 기술의 발전 덕분에 적외선, 자외선, X선, 감마선 영역에서 새로운 관측 창이 열렸다. 최근에는 중성미자 천문학도 등장했으며, 이들은 우주의 질량에 상당한 기여를 한다고 여겨진다.
그러나 이론가들은 잘 알고 있다. 그럼에도 불구하고, 우주의 대부분은 천문학계의 관측 범위에서 벗어나 있다. 그들이 현재 가진 실험적 영역은 전체의 겨우 10%에 불과하다. 따라서 오랫동안 이 유명한 암흑 물질, 즉 우리 우주의 주요 구성 요소를 찾아내려는 노력이 계속되어 왔다. 파리 천체물리학연구소의 한 팀은 프랑스(CEA 사클레이, 캐나다-프랑스-하와이 망원경(CFHT), 마르세유 우주천문학 연구소)과 외국(캐나다, 독일, 미국) 천문학자들과 협력하여 이 세계에 대한 새로운 창을 열었다. 영국의 리처드 엘리스(캠브리지 대학 및 캘텍) 팀과 미국의 타이슨(벨 연구소, 뉴저지) 팀도 거의 동시에 유사한 결과를 확인하며 이 연구를 뒷받침하고 있다. 그런데 어떻게 연구자들은 보이지 않는 암흑 물질을 드러내고 그 존재를 입증했을까? 그들은 중력의 영향으로 대량의 물질(태양, 은하단 등) 주변에서 빛이 휘어진다는 원리를 활용했다. 이 가설은 여러 차례 검증된 바 있다. 그러나 천문학자들은 암흑 물질이 희박하고 방대한 양으로 존재한다고 가정했을 때, 같은 효과가 관측될 수 있는지 궁금해했다. 만약 그렇다면, 이 어두운 물질은 보이지 않지만 그 존재를 드러내는 증거를 남길 수 있다.
"우주적 산란".
"1991년, 파리 천체물리학연구소의 얀니크 메이에르는 이론적으로 먼 은하들이 암흑 물질이 풍부한 지역을 지나는 빛을 통과할 때, 약간 왜곡되어 길쭉한 타원형으로 보일 수 있다고 예측했다. 그러나 계산 결과 이 '우주적 산란' 효과는 너무 미약해 감지하는 것은 거의 불가능하다고 여겨졌다." 또한 연구자들은 당시 이 효과를 검증할 수 있는 이론적 모델도, 그 측정을 가능하게 할 만큼 충분히 성능이 뛰어난 카메라도 부족했다. 이후 캐나다의 루도비크 반 와르벡이 연구에 적합한 데이터 처리 도구를 개발하고, CFH 12K 카메라가 개발되었다. 캐나다-프랑스-하와이 망원경(CFHT)이 촬영한 약 20만 개의 먼 은하를 다섯 해에 걸쳐 분석한 결과, 연구자들은 드디어 목표를 달성했다. CFHT가 촬영한 하늘의 배경 사진을 적절한 처리를 거친 후, 수백 개의 연한 녹색 타원형이 나타나며, 이는 각각 은하들이다. 그렇다면 이 현상이 실제로 은하에서 방출된 빛에 중력이 작용했기 때문이라고 결론지을 수 있는가? "분명히 그렇다(...)", 얀니크 메이에르는 답한다. "빛의 경로를 지나가는 데 아무런 물질이 없다면(즉 중력 효과가 없다면), 심지어 타원형 은하도 작고 원형의 점으로 보인다. 반대로, 중력이 작용할 경우 사진에는 수많은 작은 타원형이 가득하다. 게다가 중력 효과는 이러한 은하들을 특정 방향으로 배열하는 경향이 있다. 마치 자석이 자기장선을 따라 철가루를 정렬시키는 것과 비슷하다."
아직 알려지지 않은 입자들.
이 미세한 왜곡과 은하들의 재배열은, 빛이 희박하고 보이지 않는 물질의 필라멘트(사슬 구조)에 의해 경로가 휘어졌음을 의미한다. 이 물질은 밀도는 낮지만(태양이나 은하단과는 달리), 그 크기가 엄청나기 때문에 효과는 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 그 효과가 매우 뚜렷하다. 우리가 지켜보는 과정에서, 빛은 이 필라멘트 주변에서 계속 방향을 바꾸며, 공간을 차지하는 마치 치즈처럼 구멍이 뚫린 구조를 형성한다. 이 구조는 우주의 역사와 초기 형성 조건을 알려준다. 왜냐하면 우리가 보지 못하는 암흑 물질은 별이나 우리 자신이 만들어진 바리온 물질과 다른 성질을 지니기 때문이다. 이론가들은 이 암흑 물질이 아직 발견되지 않은 입자들—웨이크스, 아키온, 초대칭 입자 등—으로 이루어져 있다고 보고 있다. 이제 새로운 문이 열렸다. 천문학자들이 그 안으로 들어가야 할 시점이다. 앞으로 2년 내에 CFHT에 4배 더 큰 카메라인 '메가캠(MegaCam)'이 도입될 예정이다. 더 먼 미래에는 지름 1미터짜리 약 100대의 망원경 네트워크를 구축하고, 폭발하는 별(초신성)을 연구할 미국 위성 '스냅사트(Snapsat)'를 발사할 계획이다. 이 위성은 암흑 물질의 효과도 탐지할 수 있다.
장프랑수아 오게로
그렇다고 해서 쉽게 이해되는 것은 아니다. 1985년, 베르나르 포르는 학생들 중 한 명인 얀니크 메이에르와 함께 하와이의 3.6미터 망원경에서 처음으로 CCD 카메라를 사용해 은하단 아벨 370에서 중력 렌즈 효과로 인한 중력 아크를 발견했다. 연구팀은 이 현상이 중력 렌즈 효과임을 설득하기까지 3년이 걸렸다. 이 가설을 기반으로 한 계산 결과, 이러한 보이지 않는 질량은 은하단 중심 근처에 집중되어 있어야 한다는 결론이 나왔다. 1989년, 포르와 메이에르는 이 가설을 바탕으로 이 현상을 일으키는 보이지 않는 물질의 지도를 재구성하는 방법을 제안했다. 그러나 1994년, 그들은 다른 은하단 중심 근처에서 '물체'를 발견했는데, 이는 그들의 방법의 타당성을 의심하게 만들었다. 이 '보이지 않는 물질의 집합체'는 주변 은하들의 이미지 왜곡을 통해 위치와 질량을 측정할 수 있었지만, 일반적인 빛을 내는 물질과는 아무런 관련이 없었다. 당황한 두 연구자는 이 사진을 보관해두었다. 그러나 3년 후, 얀니크 메이에르는 아벨 1942 은하단 근처에서도 비슷한 현상을 발견했다(아래 사진 참조). 이 물체는 다른 장비와 주파수로 분석되었으며, 그 주변 환경도 조사되었다. 이번에는 의심의 여지가 없었다. 메이에르-포르 방법은 거대한 보이지 않는 물질 집합체(태양 질량의 5×10¹⁴배, 즉 관측된 가장 큰 은하단과 맞먹는 양)의 존재를 확인했으며, 이는 완전히 어두운 영역에 존재했다.
베르나르 포르가 이 현상에 대해 한 설명(2000년 6월 '하늘과 공간'에서 발췌):
문제는, 하늘의 단지 0.01% 정도에 해당하는 구역을 관측한 결과 이미 두 개의 같은 유형의 물체를 발견했다는 점이다. 따라서 관측이 증가하면, 이 유명한 어두운 물질에 대한 3차원 지도가 아름답게 완성될 뿐 아니라, 수백 개의 '암흑 은하단' 또는 '검은 집합체'가 드러날 가능성이 매우 크다. 베르나르 포르는 이들을 이렇게 명명했다. 그런데 만약 이런 물질 집합체가 주변의 은하나 흩어져 있는 가스에는 영향을 주지 않으면서도, 근처를 지나는 광자(빛 입자)에만 중력적 영향을 미친다면, 그 이유를 설명하기 어렵다. 아니면 두 종류의 물질이 완전히 별개의 존재일 수도 있다. 만약 '비정상적인 중력 렌즈 현상'을 쌍생물질의 효과로 해석한다면, 우리의 책 '우주 반은 잃어버렸다'(알빈 미셸, 1997)에서 제시한 해석과는 완전히 다른 결론에 도달하게 된다. 예를 들어, 아크는 어두운 물질의 집합이 아니라 쌍생물질 분포의 '공간 부족' 때문일 수 있다. 반대로, 이 '암흑 은하단'은 초기 형성된 '쌍생물질 덩어리'의 존재를 드러내는 것이며, 이들은 고온이며 '기하학적으로 보이지 않는' 구조일 수 있다. 더 명확히 이해하기 위해서는 메이에르와 포르가 수년간 수행했던 연구와 유사한 작업을 다시 해야 한다. 즉, '보이지 않는 것의 지도화'를 다시 시도하지만, 이번에는 중력 렌즈 효과가 암흑 물질 때문이 아니라, 보통 물질과 마찬가지로 질량과 에너지가 음수인 쌍생물질 때문이라고 가정해야 한다. 이는 카미카제 학생(프랑스 국가연구원(CNRS)에서 '전통을 벗어난' 모든 학생에게 붙이는 명칭)에게 아주 좋은 논문 주제가 될 것이다.
아래는 암흑 물질 지지자들의 최근 행진:
그리고 쌍생물질 지지자들의 행진:
