우리 주변에도 있었던, 미지의 물질: 암흑물질
Darkmatter
이 세상의 참된 법칙을 아는 것, 그 모든 것을 이해하는 것, 외부 세계의 모든 것을 아는 것은 자신의 내면세계를 아는 것이기도 합니다. 이번에도 순수한 지성의 세계, 형이상학/형이하학의 세계를 탐구하는 명상을 해봅시다.
지난번에는 '존재하는 것'인데 '전혀 보이지 않는, 관찰할 수 없는 것'이 있다는 것을 소개했습니다(*1). '관측 가능한 별의 질량을 모두 더해도 운동 역학적으로 계산되는 중력과 균형을 이루지 못한다', '눈에 보이는 물질보다 2배 이상의 질량을 가진 '무언가'가 존재한다는 사실'이 츠비키 박사 등에 의해 제시되었습니다(*2). 이를 '암흑물질(Dark Matter, *3)’이라고 하는데, 아직 직접적으로 관측된 적이 없습니다.
"무게(질량)만 존재하고 "그림자도 형태도 없는", 21세기 허블우주 망원경이나 최신 제임스 웹 망원경(*4)으로도 그 모습을 포착할 수 없습니다. 루빈 박사가 이웃 은하인 안드로메다 은하를 측정한 결과도 마찬가지로 '보이는 천체의 질량보다 10배 이상 무겁다'는 계산 결과가 나왔습니다(*5). 어쩌면 진짜 안드로메다 은하에는 그림에서 오른쪽처럼 보이는 것 말고도 더 많은 것들이 있을지도 모릅니다.
https://ja.wikipedia.org/wiki/アンドロメダ銀河#/media/ファイル:Andromeda_Galaxy_(with_h-alpha).jpg그리고 좀 더 거시적인 관점에서 보면 실제 은하계는 '보이지 않는 무언가(암흑물질)'로 연결되어 있는 것이 아닌가 하는 설이 있습니다. 그림에서 보듯이, 일반적인 우리의 인식은 그림의 왼쪽과 같이 우주 공간에 개별 은하들이 흩어져 존재한다는 것이 상식입니다. 그러나 그림의 오른쪽과 같이 본래는 은하들 사이를 연결하는 '무언가'가 존재하여 은하들끼리 네트워크를 형성하고 있는 것처럼 존재한다는 설이 있습니다. 이 점에 대한 새로운 발견을 소개합니다.
보이지 않는 것을 시각화하는 연구
캐나다 워털루 대학의 한 연구진은 근접한 은하들은 그림에서 오른쪽(상상도)과 같이 "사실은 보이지 않는 무언가로 연결되어 있지 않을까?"라고 생각하며, 이 "은하를 연결하는 보이지 않는 무언가"의 관측을 시도했습니다(*6). 영상에서는 물론 이 '무언가'는 가시광선이나 적외선, 자외선으로는 전혀 볼 수 없습니다. 이 '미지의 물질(암흑물질)'은 광자(photon)나 전자기파와 상호작용을 하지 않기 때문에(반사하지 않고 투과하기 때문에) 앞서 설명한 대로 '볼 수도, 만질 수도 없다'는 것입니다.
이러한 '질량만 존재하고 보이지 않는 미지의 물질'에 대해 그들이 사용한 방법이 '중력렌즈(*7)’를 이용한 관측입니다. 이 원리를 간단히 설명하면, 그림과 같이 어떤 천체에서 발산된 빛이 지구에 도달하기까지 질량이 큰 천체가 있을 경우, 중력에 의한 공간의 왜곡으로 인해 '볼록렌즈를 통해 본 것과 같은 배경의 왜곡'이 관찰됩니다. 블랙홀에 의한 중력렌즈가 유명하지만, 은하와 같은 대규모 천체에서도 중력렌즈 효과를 얻을 수 있습니다.
https://www.esa.int/ESA_Multimedia/Images/2015/07/Gravitational_lensing이 중력렌즈를 이용해 Hudson 교수팀이 어떻게 연구했는지 그림 5로 나타낸 것입니다. 그림 5와 같이 '가까이 보이는 은하'는 우주에서 많이 발견할 수 있습니다. 하지만 그림 5A처럼 '실제로 가까운 거리에 있는 은하'도 있고, 그림 5B처럼 '가깝게 보이지만 실제로는 매우 먼 거리에 있는 은하'의 패턴도 있습니다.
여기서 가설로 그림 2 오른쪽이나 그림 3 오른쪽처럼 "이웃 은하들이 실제로는 보이지 않는 무거운 무언가에 의해 연결되어 있다"고 한다면, 그림 5 아래쪽처럼 "A와 B 각각에서 2개의 은하들 사이에 뭔가 차이가 나는 것은 아닐까?"라고 그들은 생각했습니다. 광학적으로 아무것도 없는 것처럼 보이지만, 만약 '무거운 무언가'가 있다면 중력렌즈 효과로 배경의 왜곡을 관측할 수 있지 않을까 하는 것이 연구 방침입니다.
실제로 이런 은하 쌍을 찾아 중력렌즈에 의한 배경 왜곡을 관측한 결과는 그림 6과 같습니다. 그림 6B와 같이 '가깝게 보이지만 실제로는 멀리 떨어져 있는 은하' 사이에서는 중력 왜곡이 거의 관찰되지 않습니다. 반면 그림 6A와 같이 '실제로 거리가 가까운 은하들' 사이에는 주황색 다리가 걸린 듯한 신호를 볼 수 있습니다(노란색 화살표).
이처럼 이번 연구에서도 "은하와 은하 사이에도 확실히 '보이지 않는 무언가'가 존재할 가능성이 매우 높다"는 것이 과학적으로 증명되었습니다. 아무래도 우주의 모습은 우리가 상식적으로 알고 있는 안드로메다 은하(그림 1 왼쪽), 은하단(그림 2 왼쪽), 쌍둥이 은하(그림 3 왼쪽)가 아니라, 진정한 모습은 그림 1/그림 2/ 그림 3 오른쪽처럼 상상을 초월하는 모습일 가능성이 높을 것 같습니다.
우리가 사는 지구가 있는 은하수는 어떨까?
우리가 살고 있는 지구가 있는 이 은하계에는 태양과 같은 별이 몇 개나 있을까 하면 대략 1000억~4000억 개 정도라고 합니다(*8, *9). 이 태양계도 태양의 질량이 99.9%를 차지하는 것처럼, 은하계의 '보이는 천체'의 질량은 태양과 같은 별의 수로 대략적으로 계산할 수 있습니다.
그럼 태양의 수백만 배에 달하는 거대 블랙홀을 포함하더라도 은하수 은하의 질량은 항성의 총합인 1.0~4.0×10^11제곱의 태양 무게로 추정할 수 있을 것입니다.
https://phys.org/news/2017-07-evidence-impacts-milky-galaxy.html그리고 우리 은하계의 질량을 운동 역학적으로 계산한 과학자들이 있었습니다(*10). 2019년 발표된 네덜란드의 Posti 등은 천체의 운동뿐만 아니라 천체 내의 금속 성분 등을 고려하여 현대 과학이 할 수 있는 최대한의 정밀한 계산을 했습니다(그림 참조). 그 결과, 이 은하계의 질량은 무려 태양의 약 1.3×10^12 제곱만큼의 질량을 가지고 있는 것으로 밝혀졌습니다.
단순하게 계산하면 이 은하계는 '눈에 보이는 별의 수보다 3~10배 정도 더 무겁다'고 할 수 있습니다. 그리고 그들의 계산 결과에 따르면 중심으로부터 일정 범위(6만 광년) 내 질량의 약 70%가 암흑물질이라는 결론을 내렸습니다.
우리 주변에도 역시 존재했던 암흑 물질
지금까지 밝혀진 '전혀 보이지 않는 미지의 물질: 암흑물질'은 멀리 있는 우리 은하단(*2)이나 이웃 안드로메다 은하(*5)에 존재한다는 것은 지금까지도 밝혀졌지만, 역시 우리가 살고 있는 이 은하수 은하계에도 에도 암흑물질이 존재한다는 것이 거의 확실해 보입니다.
우리가 알고 있는 은하수는 그림 9 왼쪽에 보이는 것이 NASA에서도 공식적으로 발표한 것입니다. 하지만 실제로는 그림 9 오른쪽의 상상도처럼 보이지 않는 미지의 물질로 뒤덮여 있고, 이웃 은하와 무언가로 연결되어 있을지도 모릅니다. 그림 2 오른쪽, 그림 3 오른쪽의 상상도처럼 은하들끼리 무언가로 연결되어 우주 규모의 웅장한 네트워크를 구축하고 있을지도 모릅니다.
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/milkyway-full.jpg우리는 미지의 물체에 둘러싸여 있으면서도 의식하지 못한 채 살아가고 있습니다.
앞서 설명했듯이 "우리가 인지할 수 있는 은하는 전체 질량의 10~30% 정도"라는 것이 과학적으로 밝혀졌습니다. 하지만 "나머지 질량의 70% 이상을 차지하는 것은 무엇일까?"라는 질문에는 아직 과학적으로 답을 찾지 못했습니다.
21세기의 최신 과학으로 얻어진 답은 '우리가 지금까지 인식하고 있던 세계는 전체 질량의 1/3 이하에 불과했다'는 것입니다. '인류 외에 지적 생명체는 없다.', '보이지 않는 별은 존재하지 않는다.', '이차원 세계, 평행세계 등 어디에도 존재하지 않는다.'는 생각은 예전에는 상식적인 생각이었을지도 모릅니다.
하지만 최신 과학을 알면 알수록 모든 가능성을 부정할 수 없게 됩니다. '인류가 얼마나 무지한지'를 아는 것이 '진화를 향한 첫걸음'이라는 것은 적어도 틀림없는 사실입니다. 이 미지의 물질을 밝혀내기 위한 노력에 대해서는 추후에 다시 소개하도록 하겠습니다.
저자: Takuma Nomiya l 번역: Sim Min Aa
Profile
Takuma Nomiya 의사・의학박사
임상의사로서 20년 이상 다양한 질병과 환자를 접하며 신체적 문제와 동시에 정신적 문제도 다루고 있다. 기초연구와 임상연구로 다수의 영문 연구 논문을 집필. 그 성과는 해외에서도 인정받아 직접 학술 논문을 집필할 뿐만 아니라 해외 의학 학술지로부터 연구 논문의 피어리뷰 의뢰를 받기도 한다. 증거중심주의에 치우치지 않기 위해 미개척 연구 분야에도 관심을 기울이고 있다. 의료의 미래를 계속 탐구하고 있다.
인용문
출처: NewLife Magazine_명상, 뇌, 행복 호르몬… 의학 시선의 진짜 이야기
*1. 존재하고 있는데 과학적으로 관측할 수 없는 것
https://brunch.co.kr/@newlifekorea/17 (Korean Ver.)
https://note.com/newlifemagazine/n/n594654ee1eb3 (Japanese Ver.)
*2. Zwicky F. ON THE MASSES OF NEBULAE AND OF CLUSTERS OF NEBULAE. The Astrophysical j. 86.3.p217, 1937
*3. Dark matter- Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_matter
*4. 제임스 웹 우주망원경-Wikipedia. https://ja.wikipedia.org/wiki/ジェイムズ - 웹 우주망원경
5. Rubin V and Ford WK Jr. ROTATION OF THE ANDROMEDA NEBULA FROM A SPECTROSCOPIC SURVEY OF EMISSION REGIONS. The Astrophysical J, 159, p379, 1970
*6. Epps SD, Hudson MJ, The weak-lensing masses of filaments between luminous red galaxies. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 468(3), p.2605-2613, 2017
*7. 중력렌즈-Wikipedia. https://ja.wikipedia.org/wiki/重力レンズ
*8. How many stars are there in the universe. Universe Today.
https://www.universetoday.com/102630/how-many-stars-are-there-in-the-universe/
*9. How many stars are there in the universe. The European Space Agency.
*10. Posti L and Helmi A. Mass and shape of the Milky Way’s dark matter halo with globular clusters from Gaia and Hubble. Astronomy & Astrophysics 621, A56 (2019). https://doi.org/10.1051/0004-6361/201833355
※인용문헌의 내용에 대한 저작권은 해당 논문의 저자 또는 발행인에게 귀속됩니다.
※본 콘텐츠에 대한 저작권은 저자에게 귀속됩니다. 본 콘텐츠의 일부 또는 전부를 무단으로 전재 및 2차 이용을 금지합니다.
※저자는 집필 내용에 있어 이해상충 관계에 있는 기업 등은 없습니다.
'새로운 시대'의 라이프스타일 매거진 - 'NEW LIFE'는 '이상적인 새로운 세상'을 진심으로 추구하는 모든 사람들을 위한 온라인 미디어입니다.
은하 수준의 파격적인 새로운 정보로 누구나 본질로 살 수 있는 시대를 지향합니다.
NEWLIFE KOREA https://brunch.co.kr/@newlifekorea
NEWLIFE JAPAN https://note.com/newlifemagazine
