우주의 23%를 구성하고 있는 소위 암흑 물질(dark matter)이라 불리는 수수께끼 물질(enigmatic stuff)을 증빙할 수 있는 대충돌(Striking)의 증거가 발견되었다. 이 결과는 지구에서 57억 광년 떨어진 2개의 은하 성단(clusters of galaxies) 사이에서의 타이타닉 충돌(titanic collision)을 천문학으로 관찰한 결과이다. 따라서 천문학자들은 암흑 물질이 무엇인지 그 속성은 무엇인지 조만간 밝혀 낼 것으로 기대하고 있다. 좀 어려운 내용이지만 천천히 학습하고 참고 사이트를 살펴 보면 이해할 수 있다. 이는 생명의 근원을 밝히고 하나님의 입자(God particle)을 밝히며 더 나아가 하나님의 존재를 밝힐 아주 중요한 내용이다.
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[목차]

1. 23%의 암흑물질과 72%의 암흑 에너지의 발견
2. 암흑물질을 밝힐 대충돌 발견, 어둠에서 빛을 가르다
3. 논의(Discussion)와 의의
4. 암흑물질 샘플 수를 늘려라, WIMPS냐 MACHOS냐
5. 유럽의 "커다란 하드론 입자 충돌기(Large Hardon Collider, LHC)"에 기대
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1. 23%의 암흑물질과 72%의 암흑 에너지의 발견

2006년 3월 미국 NASA의 WMAP팀은 그간 3년간 모은 데이터를 일반에 공개했다. WMAP은 2003년 이미 1년 동안의 데이터를 공개하여 천문학, 천체물리학, 입자물리학 등에 큰 진전을 가져오게 해 주었는데, 이번 데이터 발표는 그 이후 2년 동안 더 모은 데이터를 토대로 한 새로운 결과를 보여주고 있다. 특히 관심있는 내용은 ‘우주 나이는 137억년이다’이다라는 것과 ‘우주 전체 에너지의 74%는 암흑에너지(Dark energy), 22%는 암흑물질(Dark metter), 4%는 우리가 살고 있는 태양계의 통상적인 원자(Atoms)로 이루어진 물질이다’라는 점이었다1).
그런데 2008년 3월 7일 그간 2년의 데이터를 추가한 총 5년의 데이터 분석 결과가 발표되었다2). 우주 극초단파 배경복사의 평균 온도는 절대온도 2.725K(섭씨 영하 270도 또는 화씨 영하 455도)이며, 이방성(異方性, anisotropy)에 따라 따듯한 곳과 차가운 곳의 온도 차이가 대략 ± 0.0002(2/10,000, ± 200 microKelvin)도 라는 것이다.

1) NASA-WMP-New Three Year Results on the Oldest Light in the Universe(Mar/2006)
2) NASA-WMAP-Five Year Results on the Oldest Light in the Universe(7/Mar/2008)

[그림. 이방성 온도차이. 빨강색 지역은 따듯한 곳, 푸른색 지역은 차가운 곳, 이 두지역의 차이는 ± 0.0002도. Credit: NASA/WMAP Science Team]

WMAP는 137억년(빅뱅 후 38만년의 빛을 측정)3) 전의 우주의 초기 구성물질과 오늘날의 구성물질을 측정했다. 137억년 전의 초기 우주의 물질은 암흑물질이 63%, 광자가 15%, 원자가 12%, 그리고 중성미자가 10%였으나, 우주가 팽창하면서 일반적인 가스처럼 암흑물질과 원자의 밀도가 낮아지고, 그대신 광자와 중성미자 입자들은 에너지를 잃어 암흑물질보다 더욱 빠르게 밀도가 낮아졌다.
오늘날의 우주는 항성(별)이나 행성을 구성하는 원자가 4.6%이고, 암흑물질은 23%를 이루는데, 이는 원자와 달리 빛을 방출하지도 흡수하지도 않는다. 다만, 암흑물질의 중력에 의해 간접적으로 감지되는 물질이다. 우주의 72%를 이루는 암흑 에너지는 반중력(anti-gravity, 끌어당기는 중력이 아니라 밀쳐내는 중력) 물질로 오늘날의 우주의 팽창을 가속화 시키는 물질이다. 여기에서 보여주는 WMAP의 데이터는 두자리 숫자로 다 합치면 100%가 되지 않는데, 이는 바로 암흑물질과 암흑에너지를 정확히 정의할 수 없는 WAMP의 한계이지만, 언젠가는 우리 인간들은 이를 정확하게 관측할 수 있을 것으로 예측된다.

3) 빅뱅 후 38만 년 되어서야 우주의 온도가 3000K쯤 식으면서 쿼크들이 유리된 상태에서 자유롭게 움직이다가 하드론 속에 갇히게 된다. 마이너스 전기를 띤 전자 역시 우주 공간을 자유롭게 운동하다 전기를 띤 양성자에 포획된다. 우주가 투명해지는 것이다. 그러면 전자가 양성자에 갇히기 전에는 전자에 충돌해서 무수하게 난반사하던 광자도 아무런 방해 없이 전 우주를 향해 계속 쏟아진다. 투명한 우주로 쏟아지던 이 38만년 전의 빛을 WMAP라는 위성이 2003년에 측정했다(박문호 박사/ETRI).

[그림. WMAP이 밝혀낸 빅뱅 후 137억년 동안의 우주의 진화. 왼쪽은 빅뱅 초기의 대폭발에 의해 기하급수적으로 팽창하는 시대이고, 그 다음은 이번에 측정된 38만년 전의 이방성 온도 차이를 가진 빛의 패턴임. 최초의 별은 대략 4억년 전에 탄생. 그 다음 다양한 은하와 행성들이 생성됨. 그 다음 팽창은 중력에 의해 팽창이 둔화. 그러나 오른쪽을 보면 최근에는 팽창이 다시 가속화되고 있는데, 이는 암흑 에너지의 반발(척력) 효과(repulsive effects)가 우주를 지배하기 시작했기 때문임. Credit: NASA / WMAP Science Team4)

4) WMAP-Timeline of the Universe(07/Mar/2008)

결국 우리 인간이나 태양의 빛은 전체 100%의 우주물질 중 4.6%에 불과한 원자로 이루어진 것이며, 그 동안 인간들이 발견한 것은 실제 우주의 고작 4.6%만을 관측하고 탐구해 왔다는 사실이다. 그러나 과학자들은 이들 하나님의 입자들(God particles)5)인 23%의 암흑물질과 72%의 암흑 에너지가 실제 무엇인지를 밝히는데 온 힘을 쏟고 있다. 23%의 암흑물질로 윔프(WIMP, Weakly Interacting Massive Particles)가 아직까지는 가장 유력한 물질이지만 아직 확실한 것은 아니다.

5) [세계에서 가장 크고 강력한 광가속기 구축, 유럽의 "커다란 하드론 입자 충돌기(Large Hardon Collider, LHC)"와 "초집적 뮤온 자기장 원통 코일 솔네노이드(CMS)" 실험기 2007년 11월 완공, 서로 다른 방향에서 빛의 속도로 가속된 두 개의 양성자 빔을 충돌시켜 바로 빅뱅(Big Bang) 바로 이후의 조건을 만들어, 하나님의 입자(God particle)라 불리는 히그스 보존(Higgs boson)을 발견, 은하계의 암흑 물질(dark matter)과 대우주의 암흑 에너지(dark energy)의 비밀과 기타 X-선(rays), 음극선(cathode rays), 알파선, 베타선, 감마선의 창조 원천을 발견하는 것이 목표(Europe - The Large Hadron Collider (LHC) is a particle accelerator which will probe deeper into matter than ever before. Milestone for giant physics lab. It will aim to identify the elusive Higgs boson (known as the "God particle" because of its importance to the standard model of physics), look for so-called supersymmetric particles and seek out the existence of extra dimensions(14/Mar/2007), 02257-SPA]

2. 암흑물질을 밝힐 대충돌 발견, 어둠에서 빛을 가르다

천문학자들이 우주가 충돌할 때 암흑물질에서 일반 태양계의 빛을 분리해 내는, 다시 말하면 일반 물질로부터 분리되는 암흑물질을 발견했다. 지구에서 57억 광년 떨어진 2개의 은하 성단(clusters of galaxies) 사이에서의 타이타닉 충돌(titanic collision)을 천문학으로 관찰한 결과이다. 이번 연구는 Astrophysical Journal에 조만간에 정식 논문으로 발표될 예정이다. 연구원들은 우주 망원경인 허블(Hubble)과 찬드라(Chandra X-Ray)를 이용해 2개 성단 사이에 믿을 수 없이 커다란 에너지 충돌이 있은 후에 형성된 MACSJ0025.4-1222를 관찰 연구했다, 이들 2개 성단의 각각 은하는 태양 에너지의 10의 15승인 천조 만큼 커다란 에너지를 갖고 있다.

[그림 : 충돌 후의 암흑물질은 푸른색, 형성된 보통물질은 핑크색으로 보여진다. 사진 : BBC]

사용된 기술은 허블을 이용한 중력 렌즈(gravitational lensing) 망원경이다. 이 중력 렌즈를 이용하여 두 은하 성단의 거리를 관측하면 암흑 물질이 사이에서 보이는데, 이 곳에서 나오는 빛은 중력 렌즈에 의해 왜곡되어 보인다. 수많은 중력 렌즈를 통해 보이는 각각의 이미지들은 바로 암흑 물질의 조각들이다. 그 다음 연구원들은 찬드라 X-선 망원경을 이용에 두개 성단의 암흑물질 이머징에 있는 보통 물질(ordinary matter)을 매핑했는데, 이는 바로 우리 은하계나 태양계에 존재하는 뜨거운 가스들이다. 두개의 은하 성단은 시간당 수백만 킬로미터 속도로 이머징되어 결국 MACSJ0025를 형성했는데, 이 때 두 은하 성단의 뜨거운 가스들이 충돌하였고 그 속도는 느려졌다. 하지만 암흑 물질은 계속 전진하여 처음의 충돌을 지나 시간 여행을 계속한다. -> 암흑 물질에서 빛을 갈라 보통 물질의 땅을 만든 것이다.

이 현상은 Bullet Cluster 라 불리는 그 전에 발견된 구조와 거의 같은데, 이 또한 두개의 거대한 은하 성단이 충돌 후에 형성된 것이다. Bullet Cluster는 지구와 인접해있는데 34억 광년 거리이다.

3. 논의(Discussion)와 의의

"Bullet Cluster는 예외적인 케이스(an anomalous case)라는 걱정을 한 방에 날리는 연구 결과입니다. 우리는 실제 나가서 또 다른 암흑물질을 발견한 것입니다"라고 공동 논문 저자인 Royal Observatory Edinburgh의 Richard Massey는 말한다. 따라서 이번 연구 결과 암흑물질의 속성(properties of dark matter)이 조만간 밝혀질 것으로 기대하고 있다.

충돌시 암흑물질의 속도가 느려지지 않는다는 것은 암흑물질은 그들의 중력 상호작용을 제외시킨다면, 암흑물질의 입자들은 각각 거의 약하게 또는 서로 상호작용하지 않는다는 것을 의미한다. "암흑물질(23%)은 우리가 알고 있는 보통물질(4.6%)의 5배나 됩니다"라고 공동 논문 저자인 University of California at Santa Barbara의 Marusa Bradac는 말한다. "이번 연구 결과 우리는 아주 다른 물질을 연구하고 있는 것입니다. 조만간 두개 성단의 가장 강력한 충돌을 연구할 수 있을 것입니다"라고 말한다.

4. 암흑물질 샘플 수를 늘려라, WIMPS냐 MACHOS냐

과학자들은 이제 두개의 암흑물질 사례를 찾아냈다. 따라서 더 많은 사례를 찾아내야 한다. 더군다나 나머지 72%는 또 다른 미스테리 영역인 암흑 에너지로, 이들은 우주의 팽창을 가속화시킨다. 하나의 모델에 의하면 암흑 에너지는 이국적인 극미세-원자 물질(exotic sub-atomic stuff)로 알려진 윔프(WIMPS, Weakly Interacting Massive Particles)로 구성되어 있을 가능성이 있으나 아직 확실하지 않다. 또 다른 모델은 암흑 물질들은 이해할 수 없는 극미세-원자 입자가 아니라 매일의 물질(everyday matter)로 구성되어 있다고 한다. 그러나 후자의 경우 이를 MACHOS(Massive Astrophysical Compact Halo Objects)라 부르는데, 공교롭게도 이들은 빛을 방사하지 않는다.

이에 대해 Massey 박사는 또 다른 충돌 성단의 사례 후보를 이미 발견했다고 한다. "이상적으로 우리는 하나나 둘의 사례만을 원하는 것이 아닙니다. 통계적으로 처리할 많은 사례들이 필요합니다. 그러면 전체를 이용해 암흑물질이 무엇인지 그 금 탄환(golden bullet)을 찾아 낼 수 있습니다"라고 말한다.

공교롭게도 허블(Hubble) 망원경은 MACSJ0025의 이미지를 찍은 후 그 다음 고장이 나서 다른 후보 성단들의 연구가 중단되었다. 따라서 천문학자들은 2008년 10월에 쏘아 올릴 차세대 허블 망원경에 기대를 걸고 있다.

5. 유럽의 "커다란 하드론 입자 충돌기(Large Hardon Collider, LHC)"에 기대

가장 강력한 물리 실험은 바로 유럽의 하드론 입자 충돌기(LHC)이다. 현재 프랑스와 스위스 국경 지하 100미터에 구축 중인데 2008년 9월 10일부터 정상 가동되면 암흑물질과 암흑에너지의 비밀이 밝혀질 것으로 기대하고 있다.

[그림 : LHC가 암흑물질의 비밀을 풀 것으로 기대. 사진 : BBC]

[소스]

[BBC-Cosmic crash unmasks dark matter(30/Aug/2008)]