June 22,2018

우주론 표준모델 수정돼야 하나

왜성 은하 생성 발달 완벽 설명 못해

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현재 통용되는 우주론 표준모델에 도전하는 관측 결과가 나왔다.

천문학자들이 켄타우루스 성운에서 왜성 은하들의 분포를 관찰, 조사한 결과 그 배열이 암흑 물질(dark matter)의 존재를 가정하는 우주론의 표준 모델과 맞지 않는다는 사실이 밝혀졌다. 우주 표준모델은 모든 은하계가 아직 발견되지 않은 보이지 않는 암흑 물질로 주로 구성돼 있다고 가정하고 있다. 이 연구 결과는 과학저널 ‘사이언스’(Science) 2일자에 보고됐다.

우리 은하계는 다른 큰 은하들처럼 궤도를 도는 작은 은하들에 둘러싸여 있다. 은하계 형성을 설명하는 우주론의 표준모델에 따르면 이 위성 은하들은 무작위로 분포되어야 하며 주 은하를 무질서하게 돌아야 한다.

그러나 우리 은하계와 안드로메다 은하에 대한 관찰 결과는 이 우주 표준모델에 의문을 제기한다. 몇 년 전 천문학자들은 위성 은하계가 주 은하계 주위에 둥근 모양의 평면에 배열돼 있으며, 이 평면 안에서 함께 회전한다는 사실을 발견했다.

위성 은하에 대한 천문 관측은 전통적인 우주론 모델에 대해 의문을 제기한다. 사진은 켄타우르스A 성운. CREDIT: Christian Wolf & SkyMapper Team/Australian National University

위성 은하에 대한 천문 관측은 전통적인 우주론 모델에 대해 의문을 제기한다. 사진은 켄타우르스A 성운. CREDIT: Christian Wolf & SkyMapper Team/Australian National University

새 이론에서는 왜성 은하들에 암흑물질 없어야

표준모델 지지자들은 이런 구조를 고립된 경우(isolated cases)라고 해석했다. 그러나 스위스 바젤대 물리학자 올리버 뮐러(Oliver Müller) 교수팀을 비롯한 국제 연구팀이 최근 수행한 새로운 발견에 따르면 이는 통계적 수치를 벗어나는 예외적인 경우가 아니라 광범위한 현상의 일부라는 것이다.

공동연구자인 호주 국립대 헬무트 예르젠(Helmut Jerjen) 부교수는 이번 발견이 우주론 학자들과 이론가들이 오랫동안 믿고 있었던 기존 이론에 대한 도전이라고 말했다. 기존 이론은 마치 벌집 주위에 꿀벌들이 떼지어 모여있는 것처럼 큰 은하 주변의 모든 방향에 수천 개의 왜성 은하가 무질서하게 존재한다고 생각해 왔다.

뮐러 교수는 우주에서 큰 은하들은 적어도 한번은 다른 은하계와 밀접한 조우를 하거나 병합됐을 가능성이 있다고 말했다. 그는 “함께 회전하는 왜성 은하 시스템들은 이 같은 상호작용 중에 형성됐을 가능성이 있고, 이 시나리오에서는 왜성 은하들에 암흑 물질이 없어야 한다”고 설명했다. 일반에게도 널리 알려진 왜성 은하는 남반구에서 육안으로 볼 수 있는 마젤란 성운이다.

주 은하 주위 평면 안에 존재하는 왜성 은하들.  CREDIT: Müller et Al.(2018)

주 은하 주위 평면 안에 존재하는 왜성 은하들. CREDIT: Müller et Al.(2018)

평면 안에서 질서 있게 운동

연구팀은 지구로부터 약1300만광년 떨어진 센터우루스 A 은하를 도는 위성 은하들의 운동을 분석했다. 위성 은하들은 모 은하에 대해 수직인 평면에 배열돼 있었다. 이 평면은 지구에서 관측하기에 좋은 각도로 배향돼 있어 별빛의 도플러 효과를 활용해 대상 물체의 움직임을 확인할 수 있었다. 관련 동영상

연구팀은 그에 따라 16개의 위성 은하 가운데 14개가 같은 운동 패턴을 따르고 있으며, 주 은하 주변의 평면 안에서 회전할 가능성이 있다는 사실을 보여줄 수 있었다. 그러나 암흑 물질을 이용한 모델 시뮬레이션에서는 지역 우주에 있는 위성 은하 시스템 가운데 기껏해야 절반 정도만이 이렇게 행동하는 것으로 나타난다.

주 위성 주위의 평면 안에 존재하는 왜성 은하들. 기존 우주론으로는 이들의 생성, 발달을 완벽하게 설명하지 못하고 있다.  CREDIT: Müller et Al.(2018)

주 위성 주위의 평면 안에 존재하는 왜성 은하들. 기존 우주론으로는 이들의 생성, 발달을 완벽하게 설명하지 못하고 있다. CREDIT: Müller et Al.(2018)

우주 표준모델에 대한 도전

뮐러 교수는 “그와 같은 일관성 있는 움직임은 새로운 설명이 필요한 보편적인 현상으로 보인다”고 말했다. 이는 천문 관측 결과가 시뮬레이션의 정확성에 도전하는 것이라고 볼 수 있다. 관측 결과들이 우연히 일치했을 가능성은 희박하다. 우리 은하계와 안드로메다 은하계에서 발견된 현상이 이제 켄타우르스A에서 세번 째로 포착됐기 때문이다.

표준 우주론 모델은 그 같은 구조의 발달에 대해 설명할 수 없다. 반대로 이번 연구 결과는 저자들이 ‘사이언스’ 저널에 기술한 것처럼 두 개의 거대한 은하가 충돌할 때 그 파동력에 의해 떨어져 나온 작은 파편들이 위성 은하들을 형성했다는 가설을 강하게 뒷받침 해준다.

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