'암흑물질' 그 미지의 세계

암흑 물질의 존재에 대한 최초의 증거는 은하 내부 항성 및 성단의 운동에서 왔다. 은하계 내부의 운동은 상당히 균일한 양상을 보이는데, 바라얼 정리에 의하면 운동에너지는 중력에 의한 위치에너지의 절반이 되어야 한다. 그러나 실험적으로 측정된 운동에너지는 그보다 훨씬 많다. 이로부터 광학적으로 관측되지 않는 물질이 은하 내부에 존재하여 훨씬 높은 운동에너지를 준다는 사실을 유추할 수 있다.

 

 

이는 은하계에서 항성의 속도 분포를 보면 더 확연해 진다. 암흑 물질이 없는 상황에서 속도 분포는 중심으로 부터의 거리에 반비례 하여 작아져야 하는데, 실제 관측되는 속도 분포는 거리에 상관없이 거의 일정하다.

우주의 암흑 물질의 분포는 중력 이론과 전산 모사를 통하여 간접적으로 알 수 있다. 은하의 중심에는 많은 암흑 물질이 분포할 것으로 예상되고 있다. 태양과 같은 항성의 중심이나 구상성단의 중심에 암흑 물질이 분포한다는 이론도 존재한다. 실험적으로는 이러한 곳에 존재하는 암흑 물질이 서로 쌍소멸하면서 발생하는 전자기파를 관측하려는 노력이 이어지고 있다. 우주 전체의 암흑 물질의 양은 우주 마이크로파를 정밀 측정하여, 그 공간 분포를 이해하게 되면 알 수 있다. 이를 통해 알려진 우주 전체의 암흑 물질의 양은 일반 물질의 약 7배에 해당하며, 이것은 우주의 팽창을 멈추게 하기 위해 필요한 양의 1/4의 해당한다.

 

총알 성단에서의 질량 분포. 허블 우주 망원경이 촬영한 그림에 거짓 색깔을 추가했다. 파란색 부분은 중력 렌즈 효과로 유추한 질량 분포이고, 붉은색 부분은 찬드라 우주 망원경이 엑스선으로 관측한 관측 가능 질량 분포이다.

 

역사적으로 암흑 물질은 세 범주로 나누어 왔다. 그 세 범주는 입자가 우주팽창으로 인해서 느려지기 전에 초기우주에서 무작위 운동으로 움직일 수 있었던 거리에 따라 분류되었다. 그 거리를 자유 흐름 길이(free-streaming length)라고 하며 그에 따라 암흑 물질은 다음과 같이 나뉜다.

 

• 뜨거운 암흑 물질 (HDM, hot dark matter) – 자유 흐름 길이가 원시 은하보다 훨씬 큰 물질, 즉 중성미자와 같은 가벼우면서 매우 많이 존재하는 물질.
• 따뜻한 암흑 물질 (WDM, warm dark matter) – 자유 흐름 길이가 원시 은하와 비슷한 물질
• 차가운 암흑 물질 (CDM, cold dark matter) – 자유 흐름 길이가 원시 은하보다 훨씬 작은 물질, 즉 윔프와 같이 무거운 물질.

이전에는 네 번째 범주로 혼합 암흑 물질 (mixed dark matter)이 고려되었으나 암흑에너지의 발견으로 인해 곧 사라졌다. 현재의 암흑 물질 탐색 연구는 대부분 차가운 암흑 물질 입자를 찾는데에 초점이 맞추어져 있다.