우주에 가득하지만 미스터리한 ‘암흑 물질’

기획·칼럼

우주에 가득하지만 미스터리한 ‘암흑 물질’
[만화로 푸는 과학 궁금증] 관측도 불가능한 암흑 물질 존재를 알아내는 방법

2020.06.26 07:22 윤상석 프리랜서 작가

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우주에는 눈에 보이는 다양한 천체들이 있다. 그런데 이 천체들은 눈에 보이지 않는 무엇인가로부터 힘을 받는 듯한 행동을 한다.

이 보이지 않는 물질은 어떤 종류의 전자기파도 방출하지 않기 때문에 아무리 성능이 뛰어난 천체망원경이나 전파망원경을 이용해도 관측할 수가 없다.

관측할 수 없다고 하더라도 이 물질은 우주에 확실히 존재하며 총 질량이 관측할 수 있는 물질의 약 5배나 된다고 한다. 과학자들은 이 물질을 암흑 물질이라 부른다.

암흑 물질은 총 질량이 관측할 수 있는 물질의 약 5배나 된다. ⓒ 윤상석

암흑 물질의 존재를 어떻게 알아냈을까?

암흑 물질의 존재를 처음으로 알아낸 사람은 1930년대 스위스의 천문학자인 프리츠 츠비키(Fritz Zwicky)이다. 그는 지구에서 약 3.2억 광년 떨어진 곳에 있는 머리털자리 은하단의 질량을 두 가지 방법으로 측정했다.

첫 번째는 은하단에 속한 각 은하의 운동 속도 관측을 통한 방법이다. 은하단 전체 질량이 만드는 중력은 은하단 안의 은하들을 잡아당기고 있다. 그런데 은하의 움직임이 빠를수록 은하를 잡아당기는 중력도 커져야 은하가 은하단 밖으로 날아가지 않고 은하단이 유지된다. 따라서 각 은하의 운동 속도를 알아내면 간접적으로 은하단 전체의 질량을 추정할 수 있다. 이것을 역학 질량이라고 한다.

두 번째는 은하단에 있는 은하들의 밝기를 이용하여 질량을 구하는 방법이다. 태양과 같은 일반적인 별, 즉 주계열성에서는 밝은 별일수록 질량이 크다. 은하는 별들이 모여 있는 집단이기 때문에 별의 밝기를 이용하면 은하가 모여 있는 은하단의 질량을 추정할 수 있다. 이것을 광도 질량이라고 한다.

그런데 프리츠 츠비키가 계산한 머리털자리 은하단의 역학 질량은 광도 질량보다 400배 정도 무거웠다. 역학 질량은 은하들을 은하단에 잡아두는데 필요한 중력을 통해 구했으므로, 만약 역학 질량보다 훨씬 작은 광학 질량을 은하단의 질량으로 선택한다면, 은하들이 은하단 밖으로 날아가야 한다는 오류가 발생한다.

그래서 그는 머리털자리 은하단이 눈에 보이는 별의 밝기로 구한 질량보다 더 많은 질량을 갖는다고 판단하였다. 그리고 그 질량은 은하단 안에 있는 보이지 않는 물질, 즉 암흑 물질로부터 나온다고 생각하였다.

은하들을 은하단에 잡아두는데 필요한 중력은 암흑물질로부터 나온다. ⓒ 윤상석

그 후, 1970년대에 미국 천문학자 베라 루빈(Vera Rubin)은 지구에서 약 250만 광년 떨어진 안드로메다은하 안의 별들의 공전 속도를 측정하다가 암흑 물질의 존재를 암시하는 현상을 발견하였다.

은하를 이루는 별들은 행성들이 별을 중심으로 공전을 하듯 은하 중심을 도는 공전을 한다. 그는 은하 중심에서 가까운 곳을 도는 별과 먼 곳을 도는 별의 속도를 조사했는데, 은하 중심으로부터 거리와 상관없이 별의 공전 속도는 거의 같았다. 루빈은 관측 결과가 자신의 예상과 너무나 달랐기 때문에 의문을 품었다.

여기서 잠시 태양계 행성들의 공전 속도가 어떤지 살펴보자.

태양계에서 질량이 가장 많이 모인 곳은 태양계의 중심인 태양으로, 태양의 중력이 행성을 잡아당기고 있다. 그래서 그 중력과 같은 크기의 원심력이 중력과 반대 방향으로 작용해야 행성이 태양 쪽으로 끌려가지 않고 공전할 수 있다. 행성에 작용하는 태양 중력의 크기는 태양으로부터 가까울수록 크고, 행성의 원심력은 태양 주위를 도는 속도가 빠를수록 크다. 따라서 태양에 가까운 행성일수록 공전 속도가 빠르다.

태양계와 마찬가지로 안드로메다은하에서도 가장 많은 질량이 은하 중심에 모여 있다. 따라서 별들이 공전할 때 은하 중심에 가까울수록 별의 공전 속도가 빨라야 한다. 그런데 의외의 관측 결과가 나온 것이다.

다른 은하들에서도 마찬가지 결과가 나왔다. 루빈은 암흑 물질이 은하 전체에 퍼져서 별에 중력을 미치기 때문이라고 생각했다. 루빈의 생각대로라면 은하 중심에서 멀리 있는 별일수록 자기 안쪽에서 중력을 미치는 암흑 물질의 총량이 많아진다. 따라서 은하 중심에서 먼 별에도 큰 중력이 작용한다. 그러면 은하 중심과 거리에 상관없이 별의 공전 속도가 거의 같아진다.

중력 렌즈 효과로도 암흑 물질의 존재를 알 수 있다. 질량이 큰 천체는 중력 때문에 렌즈처럼 빛을 휘어가게 할 수 있다. 이 덕분에 은하 뒤에 숨은 별이나 은하의 상을 만들 수 있는데, 이것을 중력 렌즈 효과라고 한다. 그런데 과학자들은 은하의 중력 렌즈 효과가 관측된 것만큼 나타나려면 은하의 질량보다 훨씬 많은 질량이 필요하다는 사실을 밝혀냈다. 이 사실을 통해 다시 한번 암흑 물질의 존재를 확인할 수 있다.

암흑 물질은 어떤 물질일까?

현재까지 알려진 연구결과에 의하면, 암흑 물질은 원자로 이루어진 물질이 아니다. 또한, 다른 물질과 거의 부딪치는 일 없이 빠져나가는 성질을 가졌다.

이러한 조건을 만족하는 물질로 중성미자라는 소립자가 있다. 중성미자는 매우 작은 소립자이기 때문에 원자 내부에 있는 빈 공간을 자유롭게 지나갈 수 있고 전기를 띠지 않으므로 원자나 전자의 영향을 받지 않고 빠져나갈 수 있다.

그런데 암흑 물질은 속도가 느린 입자로 구성되었다는 연구결과 있다. 중성미자는 광속에 가까운 속도로 움직이는 매우 빠른 소립자이다. 게다가 중성미자는 우주 전체에서 차지한 총 질량이 암흑 물질의 총 질량의 15분의 1 이하이다. 따라서 중성미자는 암흑 물질이 될 수 없다.