최근 나의 모습이 나타난 지도가 발표됐어. 무려 지금까지 발견된 모습 중 가장 선명했지. 내가 없었다면 별도, 은하도, 지구도 존재하지 않았을 수도 있어!

두 망원경으로 관측한 암흑물질

▲NASA/STScI/A. Pagan, Durham university

제임스 웹 우주망원경으로 본 암흑물질. 오른쪽은 암흑물질의 분포를 등고선으로 나타냈다. 허블 우주망원경보다 해상도가 2배 이상 높다.

▲NASA/STScI/A. Pagan

허블 우주망원경으로 관측한 암흑물질.

우주 구조를 만들다

지난 1월 16일, 영국 더럼대학교 등 공동 연구팀은 제임스 웹 우주망원경으로 관측한 암흑물질 지도를 네이처 천문학에 공개했어요. 연구팀은 적도 근처에 있는 한 별자리를 255시간 동안 관측한 후, 80만 개의 은하를 식별했어요. 은하에서 오는 빛이 암흑물질의 중력에 의해 어떻게 휘어지는지를 분석해, 암흑물질의 분포를 밝혀냈습니다.

연구팀은 “지금껏 발표된 암흑물질 지도 중 가장 선명하다”며 “은하 주변에 암흑물질이 늘 존재해 왔다는 것을 알 수 있다”고 밝혔어요. 이 지도가 중요한 이유는 우주에 암흑물질이 단순히 존재하는 것을 넘어, 암흑물질은 지금의 우주가 만들어지는 데 중요한 역할을 했다는 것을 알려주기 때문이에요.

우주는 약 140억 년 전, 빅뱅이라는 엄청난 폭발로 탄생했어요. 과학자들은 이 시기에 암흑물질이 생겼을 것으로 추측하고 있어요. 시간이 지나면서 우주의 온도가 낮아졌고, 이에 따라 양성자나 중성자 등 원자를 구성하는 가장 기본적인 입자가 생겼어요. 그리고 약 4억 년 후, 별이 최초로 탄생했어요. 이후, 암흑물질의 거대한 중력에 의해 가스나 먼지, 별들이 모여 은하가 만들어지게 됐지요. 지구가 속해 있는 ‘우리은하’ 또한 이렇게 형성됐습니다. 은하가 수천 개 정도 모이면 거대한 은하 집단인 은하단이 만들어진답니다.

과학자들은 암흑물질의 정체에 대해 계속해서 연구하고 있습니다. 현재까지는 두 가지 입자가 암흑물질의 유력한 후보로 추측되고 있지요. 바로, 윔프와 액시온입니다. 윔프는 약하게 상호작용을 하는 무거운 입자라는 뜻이에요. 윔프를 검출하기 위해 원자핵을 이용할 수 있어요. 검출기 안의 원자핵과 윔프가 충돌할 때 발생하는 에너지를 측정하면 윔프의 존재를 예측할 수 있지요. 예미랩에 있는 코사인-100U가 윔프 관측 실험의 대표적인 예이지요.

액시온은 아주 가볍고 전기적으로 중성을 띠는 입자예요. 액시온은 강한 자기장 안에서 빛으로 변하는 특징이 있어요. 액시온이 빛으로 바뀔 때 빛의 주파수●를 측정하면 액시온의 에너지를 추측할 수 있습니다. 기초과학연구원에서는 액시온을 찾기 위해 지구 자기장보다 약 10만 배 이상 강한 자기장을 사용하고 있습니다.

소중호 연구원은 “윔프와 액시온의 에너지를 측정하면 이들의 질량을 간접적으로 알 수 있다”며 “암흑물질의 정체를 밝히는 데 한 걸음 더 나아갈 수 있는 것”이라고 말했어요. 이어 “아직 암흑물질의 명확한 신호는 찾지 못했지만 계속해서 연구할 예정”이라고 덧붙였습니다.

액시온을 검출하는 원리

➊ 검출기에 들어간다.
➋ 액시온이 빛으로 변한다.
➌ 빛의 주파수를 측정한다.

윔프 검출기의 작동 원리

▲기초과학연구원

검출기 안의 원자핵과 윔프가 충돌하면 윔프의 에너지를 측정할 수 있다.

용어 설명

●주파수: 1초 동안 진동하는 수.