왜소은하 NGC 5477. 왜소은하는 다른 은하보다 별과 가스의 비중이 작아 은하 질량 대부분을 암흑물질이 차지할 것으로 추정된다. 미국항공우주국(NASA)·유럽우주국 제공



우주의 탄생과 천체의 움직임을 설명하는 개념인 ‘암흑물질’이 두 가지 모습으로 존재할 수 있다는 가설이 제시됐다. 학계의 주류 이론만으로는 설명하기 어려운 우주 현상을 더 매끄럽게 설명하는 개념이다.

미국 페르미랩 연구팀은 우주의 암흑물질이 두 가지 상태로 존재한다는 이론을 제안하고 연구 결과를 9일 국제학술지 ‘우주 모바일야마토 론 및 천체입자물리학 저널(JCAP)’에 공개했다.
● “에너지 수준에 따라 모습 달라”
우주를 설명하는 표준모형에 따르면 우주는 암흑에너지 68.3%, 암흑물질 26.8%, 물질 4.9%로 이뤄졌다. 암흑에너지는 빅뱅 이후 우주를 팽창시키는 원동력으로, 암흑물질은 질량이 있어 천체의 움직임을 설명하는 개념으로 제시된다. 모바일바다이야기
과학자들은 암흑물질이 존재한다고 가정하고 다양한 형태의 암흑물질 후보를 탐색한다. 직접 관측된 적이 없기 때문에 어떤 가설도 데이터로 입증된 바 없다.
현재 물리학계에서는 암흑물질의 정체를 하나의 입자나 성분으로 보는 관점이 주류다. 가정에 따르면 암흑물질 밀집 지역에서는 암흑물질 두 개가 쌍소멸 하면서 생기는 에너지가 게임릴사이트 방사선인 감마선 형태로 방출되기도 한다. 우리은하 중심부에서 종종 발생하는 감마선 신호의 원인이 암흑물질인지를 두고 오랜 논쟁이 이어지고 있다.
별과 가스의 비중이 작은 왜소은하는 암흑물질의 영향을 상대적으로 깨끗하게 관측할 수 있을 것으로 기대된다. 암흑물질이 한 종류인 시나리오에서는 왜소은하에서도 암흑물질의 양과 비례해 감마선 신호가 바다신2게임 발생해야 한다.
임상희 기초과학연구원(IBS) 입자이론 그룹 연구위원은 “현재 관측 기술로는 아직 왜소은하로부터 오는 감마선의 크기를 정확하게 잴 수 없어 관련 주장을 확증할 수 없다”고 설명했다.
페르미랩 연구팀은 왜소은하의 감마선 신호가 예상보다 적거나 없더라도 우리은하 중심의 감마선 신호가 여전히 암흑물질 때문일 게임몰릴게임 수 있다는 새로운 이론을 제안했다.
먼저 암흑물질이 에너지 수준에 따라 ‘바닥 상태’와 ‘들뜬 상태’ 두 형태로 존재할 수 있다고 가정했다. 바닥 상태가 기존 이론에서 제시된 암흑물질에 가깝고 현재 우주 대부분을 이루고 있다. 들뜬 상태의 질량이 미세하게 크다.
가설에 따르면 바닥 상태의 암흑물질만 존재할 때는 소멸이 일어나지 않고 바닥 상태와 들뜬 상태의 암흑물질이 결합할 때만 쌍소멸 하면서 에너지를 방출한다. 우리은하 중심부처럼 질량과 운동에너지가 큰 지역에서는 암흑물질이 들뜬 상태로 전환될 가능성이 크다고 봤다.
제안된 이론은 향후 왜소은하의 감마선 신호가 희미하거나 없더라도 우리은하 중심부의 암흑물질 활동을 부정하지 않는다. 질량이 크고 암흑물질의 움직임이 빠른 은하 중심부에서는 암흑물질이 들뜬 상태로 자주 변환되지만 질량이 작은 왜소은하의 암흑물질은 들뜬 상태가 될 가능성이 작기 때문이다.
● 아직 제안 단계 이론… 후속 검증 필요
홍성욱 한국천문연구원 우주진화연구센터 책임연구원은 페르미랩 연구팀의 이론이 “아직 제안 단계”라며 “우주의 에너지 분포가 연속적이기 때문에 암흑물질로 인한 감마선 방출이 우주에서 연속적인 스펙트럼 형태로 나타나는지 확인할 필요가 있고, 다양한 은하의 관측 사례도 더 모아야 한다”고 설명했다.
임 연구위원은 “우리가 지금 보고 있는 전자, 쿼크 등의 기본 입자도 다양하다”며 “암흑물질이 꼭 한 종류일 필요가 없다는 주장이 처음은 아니다”라고 말했다. 이어 “향후 업그레이드된 감마선 관측 장비를 통해 정밀한 왜소은하 데이터가 나오면 이번에 제시된 모델을 고려해 볼 수 있을 것”이라고 밝혔다.
윤성우 IBS 암흑물질 액시온 그룹장(CI)은 “암흑물질의 직접적인 검출도 중요하다”며 “논문에서 제안한 새로운 입자들이 실제로 존재하는지 검출 실험을 통해 확인해야 한다”고 강조했다.
홍 책임연구원은 “만약 이번 가설에 무게가 실린다면 은하보다 작은 규모에서 암흑물질의 분포에도 영향을 줄 수 있기 때문에 암흑물질 검출 전략에 큰 영향을 미칠 것”이라고 말했다.
이병구 동아사이언스 기자 2bottle9@donga.com