우주의 미지 질량, 암흑 물질 (Dark Matter)

암흑에너지가 우주를 팽창시키는 미지의 에너지라고 한다면 암흑 물질은 우주의 질량을 차지하는 미지의 물질을 말합니다. 우주의 상태로 보았을 때, 분명히 존재해야할 질량이나, 관측이 되지 않고 분석이 되지 않은 물질을 암흑 물질이라고 합니다. 이에 대한 가설은 여러 가지가 있는데 원자가 되지 못해 남은 쿼크 덩어리, 에테르 등이 있습니다.

 

1. 특징

암흑물질은 현재 관측이 되지 않는 물질이기 때문에 빛과 상호작용하지 않는 물질일 가능성이 높습니다. 암흑 물질이 분포하는 영역에는 주변의 항성이나 은하의 운동이 왜곡되거나 교란되기도 하는데 이로 인해 빛의 경로가 굽어질 가능성이 있습니다. 아직까지 암흑 물질에 관해 밝혀진 부분이 없기 때문에 구성 성분에 대한 정보도 존재하지 않습니다. 학자들은 미처 발견하지 못한 입자 혹은 물질로 이루어졌을 것으로 추측하고 있습니다. 암흑 물질은 우주의 총 에너지에 23%를 차지하며 우주의 전체 물질에서는 85%를 차지합니다. 이는 우리가 관측할 수 있는 물질보다 더 많음을 알 수 있습니다.

 

2. 존재 증거

 

암흑 물질이 존재한다는 증거는 다양하게 존재합니다. 먼저 은하단의 질량입니다. 은하단 내에서 중심부에 있는 은하들의 속도는 거의 1000km/s에 육박하는데 이를 위해서는 높은 질량의 천체가 은하단 중심부에 위치해야 합니다. 그러나 관측되는 은하들의 질량만으로는 이론적인 질량과 차이가 있기 때문에 관측하지 못하는 물질이 존재한다는 이론이 제시되었습니다. 현재 암흑 물질은 은하단 또는 초은하단을 헤일로 형태로 둘러싸고 있다고 추측되고 있습니다. 또 다른 증거로 은하의 위치입니다. 우주에는 무수히 많은 은하들이 존재하고 이론적으로 은하들은 필라멘트 구조를 이루어져야 합니다. 이러한 구조를 설명하기 위해서는 현재 발견된 물질의 질량보다 더 많은 질량이 필요하고 그에 대한 설명을 암흑 물질로 대체할 수 있었습니다. 또, 은하 중에는 NGC 1052-DF2 은하가 2015년 발견되었는데 이 은하가 암흑물질이 거의 없는 은하로 밝혀졌습니다. 앞서 말했던 것처럼 암흑물질의 존재는 이론상의 질량과 실제 질량의 차이 때문에 제시되었습니다. 그러나 NGC 1025-DF2 은하의 경우 기존의 은하와 달리 이론상의 질량과 실제 질량이 유사했고 암흑물질의 유무에 따라 질량의 차이가 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 하지만 밝혀진 은하의 개수가 1개이기 때문에 신뢰성의 문제가 있어 반론도 제기되고 있습니다.

 

3. 암흑물질의 추측

 

최초의 암흑물질로 추측되는 것은 중성미자였습니다. 발견 초기에 질량과 양이 정확하게 측정되지 않았고 다른 물질과 상호작용하지 않아 가장 유력한 후보로 꼽혔습니다. 하지만 빛의 속도와 유사한 속도로 이동하기 때문에 이론과 불일치하여 후보에서 제외되었습니다. 또 다른 후보로는 WIMPs가 제시되었습니다. 이는 약하게 상호작용하면서 질량이 큰 물질로 암흑 물질의 유력한 후보 중에 하나로 꼽히고 있습니다. 그리고 액시온도 다른 후보 중 하나입니다. 엑시온은 입자와 부딫히지 않고 보이는 것에 비해 밀도가 높은 물질입니다. 질량이 작지만 독립적인 메커니즘을 가지고 있기 때문에 암흑물질의 기준에 적합합니다. 그 외에 비활성 중성미자, 쿼크너겟 등이 암흑물질의 후보로 거론되고 있습니다.