초기 우주의 미스터리 밝혀지나?

암흑물질 없는 우주 형성 시뮬레이션

현대 우주물리학에서 가장 민감한 주제 중 하나는 암흑물질의 존재이다. 많은 과학자들은 암흑물질이 미지의 물질이라고 주장하지만, 과학자들은 아직 암흑물질의 신비를 깨트리지 못했다. 일부는 암흑물질이 빅뱅보다 더 오래되었을지도 모른다는 가설을 내놓았고, 암흑물질이 은하의 크기만 한 입자라는 주장도 있다.

천체물리학저널(Astrophysical Journal)에 따르면 본 대학과 스트라스부르 대학 연구원들이 처음으로 암흑 물질 없이 우주에서 은하의 형성을 컴퓨터로 시뮬레이션했다. 은하 형성 과정을 컴퓨터로 복제하기 위해, 연구팀은 뉴턴의 중력 법칙을 수정했다. 그 결과 컴퓨터 계산에서 만들어진 은하는 오늘날 우리가 실제로 보는 은하와 비슷했다.

엄흑물질 없이 시뮬레이션 한 15억 년 된 은하의 모습. 밝을수록 가스 밀도가 높다. 밝은 푸른 점은 젊은 별을 나타낸다. ⓒ Kroupa/Uni Bonn

오늘날 우주학자들은 빅뱅 이후 물질이 완전히 고르게 분포되지 않았다고 추측한다. 밀도가 높은 곳은 더 강한 중력 때문에 주변으로부터 더 많은 물질을 끌어모았다. 수십억 년 동안, 이러한 가스의 축적들은 결국 오늘날 우리가 보는 은하계를 형성했다.

MOND 이론 적용한 우주 형성 모델 제시

이 이론에서 중요한 요소는 소위 암흑 물질이다. 암흑물질이 가스 구름의 응집으로 이어진 초기 불균일한 분포의 원인이 됐다고 생각해 왔다.

암흑물질은 또한 이해하기 힘든 현상을 설명하는데도 도움이 된다. 예를 들어, 회전하는 은하의 별들은 종종 너무 빨리 움직여서 실제로 분출되어야 한다. 암흑물질을 지지하는 과학자들은 망원경으로 보이지 않는 암흑 물질이 이 같은 파탄을 막는 추가적인 중력의 역할을 한다고 생각한다.

그러나 아직 암흑물질의 존재에 대한 직접적인 증거는 아직 없다.

이에 대해 본 대학의 파벨 크루파( Pavel Kroupa)교수는 “아마도 중력 그 자체는 단순히 이전에 생각했던 것과는 다르게 행동하는 것 같다”고 설명한다.

중력이 다르게 움직인다는 이론은 MOND(MOdified Newton Dynamics)라고 한다. 이 이론은 이스라엘 물리학자인 모르드하이 밀그롬( Mordehai Milgrom) 교수에 의해 발견되었다. 이 이론에 따르면, 두 질량 사이의 인력은 일정 지점까지에서만 뉴턴의 법칙을 따른다. 은하 사이의 인력과 같이 아주 낮은 가속도에서는 인력이 상당히 강해진다. 이것이 은하가 그렇게 빠른 회전에도 불구하고 분해되지 않는 이유라고 MOND 이론은 설명한다.

크루파 교수의 박사과정 학생인 닐스 비텐버그(Nils Wittenburg)는 스트라스부르 대학의 베누이트 파메이(Benoit Famaey) 박사와 공동으로, 사상 처음으로 은하계가 MOND 우주에서 형성됐는지, 만약 그렇다면 어떤 우주가 형성됐는지를 시뮬레이션했다.

이들은 크루파 연구팀이 개발된 복잡한 중력 계산을 위한 컴퓨터 프로그램을 사용했다. 왜냐하면 MOND 우주에서는, 천체의 인력은 그 자신의 질량뿐만 아니라 다른 천체가 얼마나 가까이 있는지에 달려 있기 때문이다.

그 후 과학자들은 이 소프트웨어를 이용하여 빅뱅 이후 수십만 년 후 가스 구름에서 시작하여 별과 은하의 형성을 시뮬레이션했다.

크루파 교수는 “많은 면에서, 우리의 결과는 우리가 실제로 망원경으로 관찰하는 것과 가까웠다”고 설명한다.

예를 들어, 컴퓨터로 만들어진 은하에 있는 별의 분포와 속도는 밤하늘에서 볼 수 있는 것과 같은 패턴을 따른다. 게디가 연구팀의 시뮬레이션은 “우리 은하와 같은 디스크 은하를 형성하는 등, 대부분 우리가 알고 있는 거대한 은하를 형성하는 결과를 낳았다.”고 크루파 교수는 말했다.

모든 것이 실제 관측과 일치하지는 않아

이와는 반대로 암흑물질 시뮬레이션은 대부분 뚜렷한 원반이 없는 은하를 생성했다. 이에 대해 크루파 교수는 “실제 관측과는 모순되는 이러한 결과는 설명하기 어렵다”고 말했다.

암흑물질이 존재한다는 가정에 근거한 계산도 초신성의 진동이나 초신성의 진동이 은하계의 물질 분포에 미치는 영향과 같은 특정 매개변수의 변화에 매우 민감하다. 그러나 MOND 시뮬레이션에서는 이러한 요인들이 거의 역할을 하지 못했다.

그렇다고 해서 이번에 연구팀이 발표한 결과가 모든 점에서 현실과 일치하지는 않는다. 크루파 교수는 “우리의 시뮬레이션은 단지 첫 단계일 뿐”이라고 강조한다. 예를 들어, 과학자들은 지금까지 물질의 원래 분포와 젊은 우주의 상태에 대해 아주 간단한 가정만을 해 왔다.

크루파 교수는 “우리는 이제 계산을 반복하고 더 복잡한 영향 요인을 포함해야 한다. 그렇다면 몬드 이론이 실제로 현실을 설명하는지 지켜볼 것이다”고 강조했다.

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