The most detailed dark-matter map of our universe is weirdly smooth

우주 암흑물질, 이상할 정도로 분포가 고르다

암흑에너지 탐사의 최신 연구결과는 우주에 대해 이미 우리가 알고 있는 많은 것들을 확증하는 데 도움을 준다. 게다가 놀라운 모순점도 발견했다.

암흑물질을 묘사하려는 시도는 집에 사는 유령을 묘사하려는 것과 같다. 암흑물질은 전혀 볼 수가 없다. 볼 수 있는 건 암흑물질이 돌아다니는 주변에 있는 모든 물질이다. 그리고 유일한 설명은 직접 관측하거나, 측정하거나, 상호작용할 수 없는 보이지 않는 힘이라는 것뿐이다.

우리는 암흑물질이 존재한다는 것을 알고 있다. 왜냐하면 암흑물질이 우주에서 빙빙 돌고 있는 모든 물질에 미치는 영향을 관측할 수 있기 때문이다. 과학자들은 우주의 약 27%가 암흑물질로 이루어져 있다고 추산한다(68%는 암흑에너지이고, 나머지 5%는 보통의 물질과 에너지다). 모두가 궁금해하는 질문은 다음과 같다. 이 불가해한 물질은 정확히 어디에 있는가? 그리고 이것은 우주 전체에 어떻게 분포되어 있나?

400명 이상의 과학자들로 구성된 국제 프로젝트인 암흑에너지탐사(Dark Energy Survey, DES)가 이에 대한 답을 찾기 위해 노력하고 있다. DES는 이제 막 우주에서 가장 크고 상세한 암흑물질 지도를 공개했다. 거기에는 알버트 아인슈타인과 그의 일반상대성이론으로 거슬러 올라가는 물리학의 개념들과 아직 적절히 들어맞지 않는 뜻밖의 결과도 일부 있었다.

DES는 암흑물질의 분포를 알기 위한 대용물로, 가능한 한 많은 은하를 이미지화하는 활동이다. 이는 암흑물질의 중력이 이런 은하들의 분포를 좌우하는 데 강력한 역할을 하기 때문에 가능하다. 2013년 8월부터 2019년 1월까지 수십 명의 과학자들이 모여 칠레에 있는 직경 4미터짜리 빅터 M. 블랑코 망원경 (Victor M. Blanco Telescope)을 사용해 근적외선으로 하늘을 관측했다.

이 지도를 만드는 데 2가지 방법이 있다. 첫 번째 방법은 단순히 우주 전체에 걸쳐 있는 은하의 위치와 분포를 관측하는 것이다. 이런 배열이 과학자들에게 암흑물질의 밀도가 가장 높은 곳이 어디인지에 대한 실마리를 제공한다.

두 번째 방법은 중력렌즈효과를 관측하는 것이다. 이는 은하에서 방출되는 빛이 우주를 통과하면서 암흑물질의 중력 때문에 굴절되는 현상이다. 이 효과는 돋보기를 통해 보는 것과 유사하다. 과학자들은 중력렌즈효과를 이용해 암흑물질의 밀도 분포를 예측한다. 빛이 더 왜곡될수록 암흑물질의 밀도가 더 높다.

이 최신 결과는 처음 3년간의 DES 데이터를 계산해, 총 345일의 밤 동안 관측한 2억 2,600만 개 이상의 은하들을 분석한 것이다. “우리는 이제 남반구 하늘의 4분의 1에 걸쳐 있는 암흑물질의 분포 지도를 제작할 수 있다”고 DES 프로젝트의 책임자 중 한 명이자 영국 유니버시티칼리지런던과 파리 고등사범학교의 연구원인 니얼 제프리(Niall Jeffrey)는 말한다.

최근 결과를 반영하여 지금까지 분석한 남반구 하늘의 DES 암흑물질 지도의 범위. 밝은 부분은 암흑물질 밀도가 높은 곳을 나타내며, 어두운 부분은 암흑물질 밀도가 낮은 곳을 나타낸다.
DARK ENERGY SURVEY

전반적으로 이 데이터는 이른바 우주론의 표준모형(Standard Model of Cosmology)과 궤를 같이한다. 이 표준모형은 우주가 빅뱅으로 탄생했으며 우주의 총 질량-에너지의 95%가 암흑물질과 암흑에너지로 이루어져 있다고 상정한다. 그리고 이 새 지도로 과학자들은 다른 방법으로는 보이지 않는 우주의 거대한 암흑물질 구조를 보다 자세히 살펴볼 수 있다. 지도에서 가장 밝은 부분들은 높은 밀도의 암흑물질을 나타내며, 이들은 매우 낮은 밀도의 보이드(voids, 빈 공간) 주위에서 군집과 후광을 형성하고 있다.

그러나 몇 가지 결과는 놀라왔다. “우리는 우주가 예상보다 더 고르게 분포되어 있다는 단서를 발견했다”고 제프리는 말한다. “이런 단서는 다른 중력렌즈 실험에서도 발견된다.”

이는 일반상대성이론에서 예측하는 바가 아니다. 일반상대성이론은 암흑물질이 더 뭉쳐 있고 덜 균일하게 분포되어 있을 것으로 제시한다. 이 저자들은 발표된 30편의 논문 중 하나에 “이 증거가 결코 확정적인 것은 아니지만, 어쩌면 우리는 새로운 물리학에 대한 단서를 보기 시작하고 있는지도 모른다”고 썼다. 우주론자들에게 “이것은 아인슈타인이 기술한 중력의 법칙을 바꾸는 것에 해당할 것이다”라고 제프리는 말한다.

비록 여기 내포된 의미는 엄청나지만, 무엇보다 각별한 주의가 필요하다. 왜냐하면 (아직까지 직접 관찰한 적 없는) 암흑물질에 대해 우리는 여전히 거의 알지 못하기 때문이다. 예를 들어, 제프리는 “만일 근처 은하들이 복잡한 천체물리학 때문에 이상한 방식으로 정렬된다면, 우리가 얻은 렌즈 결과는 잘못된 것일 수 있다”고 지적한다.

다시 말해서, 이 결과에 대한 몇 가지 색다른 설명이 충분히 있을 수 있다. 아마 이 결과를 일반상대성이론과 조화시킬 수 있는 방식으로 설명할 수도 있을 것이다. 그렇게 되면 평생을 아인슈타인이 옳다는 것에 기반을 두고 연구해온 모든 천체물리학자들은 크게 안도할 것이다. 그리고 잊지 말아야 한다. 일반상대성이론은 수년간 맞닥뜨린 모든 다른 시험에도 놀랍도록 잘 견뎌왔다는 사실을 말이다.

이 결과는 비록 몇몇 DES 데이터 공개가 보류 중임에도 불구하고 이미 파장을 일으키고 있다. 제프리는 “벌써부터 천문학자들은 이 지도를 이용해 우주망(cosmic web)의 구조를 연구하고 은하와 암흑물질 간의 관련성을 더 잘 이해하려고 노력하고 있다”고 말한다. 우리는 이 결과가 정말로 일시적인 이상인지 아니면 우주에 대한 우리의 이해를 대대적으로 고쳐 써야 할 일인지를 알아내기 위해 너무 오래 기다릴 필요가 없을지도 모른다.

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