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천문학

암흑 물질의 종류에 대해 알아보기

by $%@#%@%$(* 2021. 2. 4.
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암흑 물질의 종류는 크게 중입자 암흑 물질(baryonic dark matter)과 비중입자 암흑 물질(nonbaryonic dark matter)로 나눌 수 있다. 중입자(baryon) 암흑물질의 후보에는 여러 가지가 있다. 가스나 구름으로 된 먼지, 거대한 행성과 같은 물체, 광도가 떨어진 항성들 , 그리고 블랙홀 등이 그것이다. 가스 구름은 그 너머에 있는 은하에 어떤 식으로든 영향을 미치기 대문에 그 존재를 파악할 수 있다. 그러나 가스나 먼지가 응축되어 작은 갈색 왜성이나 이보다 큰 행성상 천체가 된 경우, 항성이 폭발하고 난 후에 생성된 백색 왜성이나 중성자별과 같은 천체를 포함한다. 암흑 물질의 상당 부분은 직접적이 관측으로 발견되지 않을 수 있다. 이러한 종류의 대규모 응집 음영 천체를 MACHOs(massive compact halo objects)라 한다. 암흑 물질을 탐지하는데 있어서 그 물질이 무엇으로 구성되어 있는지가 중요하다. 암흑 물질이 정상적인 입자인 양성자, 중성자, 전자로 구성됐다고 상상하자. 이암흑 물질은 관측되지도 않았고 티끌이나 가스의 형태일 수도 없고 탐사할 수도 없다. 갈색 왜성과 백색 왜성은 복사를 방출하기는 하지만 광도가 낮아서 거리가 수천 광년보다 크면 관측될 수 없다. 우리가 암흑 물질을 볼 수는 없지만 눈에 보이지 않는 양성자와 중성자의 집합체가 중력 렌즈로 작용하여 그들 뒤에 위치한 천체에서 방출되는 복사를 일그러뜨리기 때문에 그들을 탐지할 수 있다.

가까운 은하들이 중력 렌즈로 작용해서 더 먼 은하의 영상을 변형시킬 수 있다. 이렇게 변형된 영상이 가까운 은하단에 얼마나 많은 질량이 존재하는가를 결정하는데 사용될 수 있다. 그러한 관측으로 만들어진 지도는 가까운 은하단들이 실제로 가시 광선으로 보는 것보다 10배나 더 많은 물질을 가지고 있는 것으로 증명됐다. 우리 은하계의 헤일로(halo)에서 블랙홀, 갈색 왜성, 백색 왜성과 같은 MACHO 천체를 찾도록 하는 것이다. 만일 눈에 보이지 않는 MACHO가 먼 별과 지구 사이를 지나간다면 이것이 중력 렌즈로 작용하여 먼 별의 빛을 초점에 모이게 하여 정상적인 밝기로 돌아가기 전 수일간 밝아져 보이게 할 것이다. 우리의 은하에서 MACHO는 암흑 물질의 50% 이상은 차지하지 않는 것으로 나타나고 있다. 비중입자(nonbaryon) 암흑 물질은 입자의 움직이는 속도에 따라 뜨거운 것과 차가운 것이 있다. 뜨거운 암흑 물질의 가장 유력한 후보 중 하나는 뉴트리노(중성미자)이다. 중성미자에는 세 가지 종류가 있는데, 전자 중성미자, 뮤 중성미자 , 타우 중성미자가 그것이다. 중성미자는 질량이 없는 입자로 생각되었지만 과학자들은 중 성미자가 미세한 질량을 가질 수 있다고 생각하고 있다. 차가운 암흑 물질은 빛보다 훨씬 느린 속도로 육중하게 우주 공간을 돌아다닌다.

 

이 물질은 은하 형성의 초기 과정에서 요구되는 여러 가지 조건을 충족시켜준다. 느린 속도와 빛과의 낮은 상호 작용 덕분에 차가운 암흑 물질은 원시 파문(ripple) 의 영향으로 결집을 시작할 수 있었다. 이 물질은 빠른 속도로 은하 크기의 씨앗을 형성할 수 있었고, 그 씨앗은 사라지지 않고 계속 남았다. 그때 중입자로 이루어진 물질이 여기에 달라붙어 빅뱅 이후 십억 년경에 은하를 형성하게 되었다.차가운 암흑 물질에 대한 가상적인 입자를 약한 상호작용을 일으키는 대량의 소립자라는 뜻으로 WIMPs(weakly interacting massive particles)라고 한다. 대통일 이론과 초대칭 이론의 소산인 WIMP는 수명이 길고 안정적이며, 모두 동일한 질량을 가져야 하고 중입자 물질과 극미한 상호작용만을 일으켜야 한다. 우주의 밀도는 임계밀도이거나 적어도 임계 밀도에 가까운 값을 가져야 한다는 것이 지금가지의 관측 결과이다. 위에서 언급한 우주의 구성 물질의 양을 임계 밀도 값과 비교하면 다음과 같다. 중입자(양성자와 중성자)로 만들어진 별이나 먼지, 가스 등 일반적인 물질로 망원경으로 관측 가능한 천체와 중입자 암흑 물질인 갈색왜성, 중성자별, 블랙홀 등 의 질량을 모두 합하면 Ωb ∼ 0.04 에 지나지 않는다. 반응을 잘 하지 않는 소립자인 중성미자와 전기적으로 중성이라 전기적 상호작 용이 없어 전자기파로 검출을 할 수 없지만 질량이 무거운 WIMP 같은 비중입자 암흑 물질을 Ωnb할 때, 우주에 존재한 모든 물질은 Ω m= Ωb+Ωnb∼ 0.3 정도이다.

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