암흑물질이 중성미자와 상호작용할 가능성이 제기됐다. 두 물질 간 상호작용은 현대 우주론의 표준인 ‘람다 차가운 암흑물질 모형(ΛCDM)’을 넘어, 우주에 대한 새로운 이론으로 가는 통로가 될 수 있다. 영국 셰필드대 연구팀이 주도한 연구 결과는 1월 2일 국제 학술지 ‘네이처 천문학’에 게재됐다. doi: s41550-025-02733-1
암흑물질과 중성미자는 우주를 구성하는 요소 중 가장 미지의 존재다. ΛCDM은 암흑물질과 중성미자가 서로 독립적으로 존재하며, 상호작용하지 않는다고 가정한다.
그런데 ΛCDM 모형에 입각해 우주 속 물질 분포를 계산한 다음 실제 관측값과 비교해보면 우주 물질이 예상보다 덜 뭉쳐져 있다는 결론이 나온다. ΛCDM 모형으로 설명하지 못하는 빈틈이 있는 것이다. 우주론에서는 이를 시그마 에잇(σ8) 문제라고 부른다. 시그마 에잇은 그동안 계속해 현 우주론의 완전성에 대한 논의를 촉발해왔다.
연구팀은 만약 암흑물질과 중성미자가 상호작용을 한다면 불일치를 해설할 수 있을 것으로 가정하고 우주 데이터를 분석했다. 칠레 아타카마 우주론 망원경(ADT)과 유럽우주국(ESA) 플랑크 망원경에서 초기 우주 데이터를, 슬론 디지털 천구 탐사(SDSS)에서 구축한 은하 지도와 칠레 빅터 블랑코 망원경에 장착된 암흑에너지 카메라에서 후기 우주 데이터를 얻었다. 그후 연구팀은 ΛCDM에 암흑물질과 중성미자 간의 상호작용을 가정하고 수치 시뮬레이션을 돌렸다. 그 결과, 서로 어긋나 있던 초기 우주와 후기 우주 관측이 한 모형 안에서 보다 일관되게 설명됐다.
연구팀은 암흑물질과 중성미자 간 상호작용 가설에 대한 통계적 불확실성의 크기가 3σ(시그마)라고 밝혔다. 이는 일반적 유의수준 99.73% 확률로 약한 상호작용이 존재한다고 가정했을 때 관측 데이터를 더 잘 설명할 가능성이 통계적으로 높다는 뜻이다. 다만 3σ는 확정적 발견으로 간주되지는 않는다. 향후 더 정밀한 관측을 통해 검증이 필요하다. 논문의 공동 저자인 윌리엄 지아레 하와이대 물리천문학과 박사후연구원은 “암흑물질과 중성미자 사이의 이러한 상호작용이 확인된다면, 이는 우주론의 근본적인 돌파구가 될 것”이라 말했다.
상호작용이 해결하는 불일치
