호주와 스페인 천문학자들이 미 항공우주국(NASA)과 유럽 우주국(ESA)의 허블 우주망원경 자료를 사용해 은하단의 암흑물질(dark matter)을 탐지할 수 있는 혁명적인 방법을 개발했다.

연구팀은 이 방법을 통해 지금까지 사용된 다른 어떤 방법보다도 더 정확하게 암흑물질의 분포를 ‘볼(see)’ 수 있고, 암흑물질의 궁극적인 특성도 탐색할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이 연구는 천문학 저널인 ‘왕립천문학회 월간회보’(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) 최근호에 발표됐다.

많은 천문학자들은 최근 수십 년 동안 우주에 존재하는 대부분의 물질을 구성하는 미스테리한 암흑물질의 특성을 이해하고, 이의 분포를 확인하기 위해 심혈을 기울여 왔다.

알려져 있다시피 암흑물질은 전체 우주 에너지 밀도의 4분의 1을 차지한다. 그러나 암흑물질의 존재는 중력 효과를 통해서만 확인될 수 있고, 어떤 종류의 전자기파도 방출하지 않기 때문에 지금까지 그 분포를 정확히 파악하고 특성을 연구하기가 매우 어려웠다.

“암흑물질 ‘보는’ 방법 발견”

이번 연구에서 호주와 스페인의 두 천문학자는 암흑물질의 분포를 정확히 연구하기 위해 허블 우주망원경의 프론티어 필즈(Frontier Fields) 데이터를 사용했다.

허블 프론티어 필즈는 은하단(galaxy clusters)에서 강력한 중력렌즈 효과를 사용해 극도로 멀리 떨어져 있는 심우주를 관찰하는 프로그램이다. 이를 통해 초기 우주와 그 이후의 은하 진화에 대한 통찰력을 얻기 위한 심층 영상(deep imaging)을 확보하는 것이 그 목표다.

논문 제1저자인 미레이아 몬테스(Mireia Montes) 호주 뉴사우스웨일즈대 연구원은 “우리는 암흑물질을 ‘보는(see)’ 방법을 발견했다”고 밝히고, “은하단에 있는 매우 희미한 내부의 빛이 암흑물질들의 분포 상황을 나타낸다는 사실을 알아냈다”고 말했다.

은하단 내부의 빛은 은하들 간 상호작용으로 생긴다. 이 상호작용 과정 중에 개별 항성들이 은하로부터 떨어져 나와 은하단 안에서 자유롭게 떠다니게 된다. 일단 은하로부터 떨어져 나와 자유롭게 된 별들은 은하단 질량의 대부분을 차지하는 암흑물질이 있는 곳에서 종말을 고하게 된다.

기존 방법보다 더 정확하게 암흑물질 분포 추적

몬테스 박사는 “이 별들은 현재의 우리 기술로 파악할 수 있는 한 암흑물질과 동일한 분포를 가지고 있다”고 설명했다. 암흑물질과, 은하단 내부의 빛을 형성하는 분리된 별들은 둘다 충돌 없는 구성요소로 작용한다. 이들은 은하단 자체가 가진 중력 포텐셜을 따른다.

이번 연구는 은하단 내부의 빛이 암흑물질과 함께 정렬됨으로써, 지금껏 사용했던 다른 어떤 방법보다 더 정확하게 암흑물질의 분포를 추적할 수 있다는 사실을 보여주는 것이다.

이 방법은 특히 복잡한 중력 렌즈 효과를 사용하는 방법보다 더 효과적이다.

중력렌즈 효과란 ‘거대한 타원 은하나 태양과 같이 무거운 질량을 가진 천체의 중력장 때문에 그 배경에 있는 다른 별들에서 오는 빛이 구부러져 마치 렌즈를 통과하여 오는 것처럼 보이는 현상’을 말한다. 빛이 구부러짐으로써 속도가 느려지고 이 빛들이 도달하는 시간 차로 거리나 위치 등의 정보를 계산한다.

중력렌즈 효과는 렌즈를 정확하게 재구성해야 하고 분광작업을 하는데 시간이 많이 소요되지만, 몬테스 박사팀이 제시한 방법은 심층 이미징만을 사용하면 된다. 이에 따라 새 방법을 이용하면 같은 관측시간 안에 더 많은 은하단을 연구할 수 있다.

암흑물질, 스스로 상호작용 하는지 주시

연구팀은 이번 연구 결과가 암흑물질의 궁극적인 특성을 탐구할 수 있는 가능성을 제시할 수 있을 것으로 보고 있다.

논문 공저자인 스페인 카나리아 천체물리 연구원(IAC)의 이그나시오 트루히요(Ignacio Trujillo) 박사는 “만약 암흑물질이 스스로 상호작용(self-interacting)을 한다면, 우리는 매우 희미한 항성 빛과 비교해 암흑물질 분포 상에서의 이 같은 작은 이탈을 감지할 수 있다”고 강조했다.

현재 암흑물질에 관해 알려진 사실은 오직 정규 물질과 중력상으로 상호작용한다는 것뿐이다. 암흑물질의 자기 상호작용을 발견하는 것은 그 정체성을 파악하는 데 큰 도움이 될 것으로 보인다.

이제 몬테스와 트루히요 박사는 자신들의 방법이 정확한지 확인하기 위해 원래의 6개 은하단을 좀 더 자세히 조사할 계획이다.

이들이 개발한 방법에 대한 또 다른 중요한 테스트는, 다른 연구팀이 다른 은하단을 관찰 분석해 이들의 발견을 확인하고 데이터 세트를 추가하는 일이다.

연구팀은 NASA/ESA/CSA가 개발 중인 제임스 웹 우주망원경 같은 미래의 우주망원경을 사용해 자신들이 개발한 기술을 적용할 수 있기를 기대하고 있다. 2021년 3월 발사 예정인 이 첨단 우주망원경에는, 멀리 떨어진 우주에 있는 은하단 내 희미한 빛을 확인할 수 있는 한층 더 민감한 장비가 장착될 예정이다.

이그나시오 트루히요 박사는 “몇 년 안에 수백 개의 은하단을 탐색할 수 있는 놀라운 가능성이 현실화되고 있다”며 부푼 희망을 나타냈다.