[전문가의 세계 - 이명현의 별별 천문학](25) 희망의 짱이네

블랙홀로도 모자라다

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초신성(왼쪽 아래의 밝은 점)과 은하수(오른쪽 위 중심) 사이의 블랙홀(중심)에 의해 생성된 중력렌즈 효과를 이미지한 사진. 미국 버클리 캘리포니아대의 미겔 쥬이에키과 칼루이이 박사와 우로스이시에루약 교수는 블랙 홀 같은 암흑 물질의 규모를 파악하기 때문에 지금까지 모은 초신성의 관측 자료를 통해서, 중력 렌즈 효과가 얼마나 어떻게 1어인지를 연구했지만 현재 표준 우주론에서 필요로 하는 암흑 물질의 양을 충족시키려면 터무니 없다는 것을 확인하였습니다.[phys.org]​ 우주 구성하는 물질은 5%, 68퍼센트 암흑에 당신가 탐색은 안개 속, 27%의 암흑 물질의 관측에 그와은심, 20세기 여러가지 시도 연결,~초신성 빛이 지구 도달 과정 중력 렌즈 효과 생성 관측해서 블랙 홀 같은 천체 발견해서 암흑 물질량 관측한다고 시도 ​ 콤팩트 천체 모드 합쳐도~우주 물질의 37% 넘지 않는 암흑 물질은 여전히 정체 불명~21세기의 천문학의 과제로 남아, 우리의 눈에 보이는 것이 세상의 전부인 것 같지만 실은 그렇지 않다. 플랑크 우주 망원경의 관측 결과와 최근의 연구 결과는 우주를 구성하는 것 중에서 눈에 보이는 물질은 겨우 5%정도밖에 없다고 예상하고 있다. ​ 암흑에 던 신지가 68%를 차지하고 있고, 암흑 물질이 27퍼센트를 차지하고 있다는 것입니다. 암흑으로 귀지의 정체에 대해서는 아직 단서조차 잡지 못했다. 금세기 천문학의 가장 큰 과제 중 하나다. 이런 제안과 시도는 있지만 여전히 안갯속입니다. 암흑물질은 사정이 나은 편이다. 암흑물질을 찾으려는 시도는 여럿이었다. 암흑 물질이란 질량을 가지고 있지만 빛에 의해 그 정체를 드러내지 않고 오직 중력 작용에 의해서만 상호 작용하는 물질을 예기합니다. 암흑물질 후보로는 아주 작은 입자부터 거대한 블랙홀까지 다양한 단계의 물질이 제안됐다. 입자물리학 측에서는 주로 엑시온과 같은 새로운 가상의 입자를 제안하고 있다. 아직 발견된 적은 없다. 한때 중성미자와 같은 가벼운 입자가 암흑물질 후보로 대두된 적은 있지만 필요한 암흑물질의 양을 설명할 정도는 아닌 것으로 밝혀졌다. 천문학 쪽에서는, 존재하는 천체 중 암흑 물질의 후보가 될 만한 것을 탐색하는 것에, 보다 관념을 가져 왔다. 천문학자는 MACHO(Massive Astrophysical Compact Halo Objects) 프로젝트를 수행하여 암흑 물질의 정체를 밝히려고 하였습니다. 거의 빛나지 않는 갈색 왜성 같은 작은 별이 대상이 될 수 있다. MACHO 프로젝트를 수행할 당시에는 발견되지 않았지만 태양계 외행성 연구에서 자주 발견되는 목성보다 훨씬 큰 뜨거운 목성형 행성도 대상이 될 수 있다. 각각의 질량은 작지만 그 개수가 매우 많으면 필요한 암흑 물질의 양에 대응할 수 있을 것입니다. 블랙홀은 그 자체로 빛을 발하지 않기 때문에 좋은 암흑물질 후보가 될 수 있다. 우주 초기에 태어난 무거운 원시 블랙홀이 좋은 후보가 된다. 무거운 별들이 생을 마감하게 될 종착역으로서의 블랙홀도 당연히 후보군에 속합니다. 비록 블랙홀이 아니더라도 중성자별이나 백색왜성 같은 별이 평생을 마치고 정착할 천체가 모드암흑물질 후보로 거론됐다. 우주 내 물질의 양이 유한하기 때문에 이들의 존재도 제한될 수밖에 없다. 이론적인 물질 형성 과정과도 모순이 없어야 할 것입니다. 그것이 어떤 종류의 천체인 빛을 거의 내지 않거나 전혀 내지 않는 천체들은 모드의 천문학자들이 제1우선 확인하고 싶은 암흑 물질 후보였다. ​ MACHO프로젝트에서는 아인슈타인의 1반 상대성 이론에서 예측하는 미세 중력 렌즈 효과를 활용해서 주로 우리 은하와 대마젤란 은하 사이에 존재할 어떤 빛을 내지 않는 물질을 탐색했습니다. ​ 실제로 중력 렌즈 효과를 1우키는 천체가 존재합니다라고 말을 확인했습니다. 하지만 그 양은 미미했습니다. 현대 우주론이 요구하는 암흑물질의 양을 설명하기에는 도움이 안 되는 수준이었다. 암흑물질의 정체를 밝히려는 시도는 계속되고 있지만 여전히 그 실마리를 찾지 못하고 있다. 최근 발표된 연구결과를 보면 암흑물질의 관측과 연구가 더 어려운 국면에 접어든 듯하다. 미국 버클리 대학의 미구엘 쥬에길라 카를류이와 우로슈 세르야크가 엉뚱한 논문을 발표했습니다. 물리학 저널(Physical Review Letters)2018년 10월 11자에 실린 'Limits on stellar-mass compact objects as dark matter from gravitational lensing of type Ia supernovae'논문이 바로 그거예요. 제목을 풀어 다시 쓰면, "제Ia형 초신성의 중력 렌즈 효과 관측 결과를 기본으로 항성 질량 정도를 가지고 있는 컴팩트한 천체가 다른 관측 결과에서 나타난 필요한 암흑 물질의 양 중 얼마를 설명할 수 있는지 그 한계에 대한 연구"정도가 된다.

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블랙홀 두 개가 충돌(왼쪽 사진)해 하자신(오른쪽)에 합쳐지는 과정에서 SXS가 제작한 동영상을 정리한 화면. 미국 캘리포니아 공대와 매사추세츠 공과 대학이 운영하는 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)는 20개 4년 9월 이 과정에서 생성한 중력파를 포착했다.[

[www.black-holes.org] 암흑 물질 연구는 여전히 오리무중이었다 블랙홀처럼 알려진 천체의 양을 확인하려는 천문학적인 시도도 나쁘지 않았고, 가상의 입자를 찾으려던 입자물리학적 시도도 전체 큰 진전이 없는 귀추였다. 그런 대중 역파의 발견이 암흑물질 탐색에 다시 한 번 희망의 문을 열었다. ​ 20개 4년 9월 하나 4일 레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)에서는 블랙 홀 두개가 충돌하고 하나프지앙아로ー 통합되는 과정에서 발발한 중력파를 파악했습니다. 간접적인 방식이 아니라 직접적인 관측을 통해 처소음으로 블랙홀의 존재가 확인된 문제였다. 이어 블랙홀 충돌로 인한 중력파가 포착됐다. 블랙홀이 생각보다 많이 존재한다면 암흑 물질의 질량 문제를 해결할 수도 있었을 것이다, 미구엘 쥐스트릴라 카를류이와 우로슈 세르야크 연구팀은 암흑 물질 후보로 블랙홀을 재검토하기로 했습니다. 멀리 떨어져 있는 초신성 빛이 지구로 오는 과정에서 블랙홀 같은 천체에 의해 중력렌즈 효과를 가져올 것을 관측하고, 블랙홀 같은 콤팩트한 천체가 얼마나 아름답지 않고 많은지를 찾겠다는 것이었다. 앞으로 암흑물질의 양을 정하려는 시도다. ​ 사실 이런 시도는 하나 990년대에도 있었다. 이들도 그런 연구에 관심을 가졌다. 하지만 그때는 엑시온 같은 미립자를 찾거나 나쁘지 않고 MACHO 같은 천문학적인 물체를 찾으려는 시도에 가려 큰 주목을 받지 못했습니다. 블랙홀 충돌로 인한 중력파가 포착되면서 관심이 다시 생겼다. 블랙홀이 암흑물질의 문제를 해결할 수 있다는 희망이 다시 생긴 것이다 그리고 복수 990년대와는 그이츄이 바뀌었다. 중력렌즈 효과를 다룰 수 있는 알고리즘과 컴퓨터의 계산 능력이 비교가 안 될 정도로 좋아졌다. 주스트릴라 카를류이와 세르야크 연구팀은 복잡한 통계학적 방법을 어렵지 않게 적용해 작업할 수 있게 됐다. 몇 안 되는 초신성 관측 자료가 그 사이에 많이 축적됐다. 통계적인 작업이 가능해진 것이다. 초신성은 별이 폭발해 그 밝기가 급격히 밝아지는 현상을 이야기합니다. 몇개의 초신성 폭발이 있지만 그 중국 Ia형 초신성은 2개의 별이 중력적으로 연결된 쌍성에서 일어나고 불운한 현상이었다 앞서서 생을 마감한 별 쪽으로 여전히 일생을 살고 있는 다른 별의 물질이 유입되어 한계 귀추를 넘어 폭발이 일어나 나쁘지 않은 형태를 이야기 해 나갑니다. 순간적으로 매우 나쁘지 않고 밝아져 우주로부터 거리를 재는 도구로도 사용되고 있으며, 지난 십수 년 동안 많은 초신성 관측이 이루어졌다. 연구팀은 분석에 사용할 수 있는 초신성 자료를 모았다. 두 관측 자료에서 모은 각각 580개와 740개의 초신성 관측 자료를 사용할 수 있었다. 초신성 빛이 지구에 도달하는 동안 지구와 초신성 사이에 블랙홀과 같은 암흑물질이 존재한다면 그 물체가 마치 렌즈와 같은 역할을 하는 중력렌즈 효과가 발발할 것입니다. 일반상대성이론이 맞다면 초신성과 지구 사이에 물체가 존재할 때 초신성 빛이 밝아졌다가 다시 원래대로 돌아오는 현상이 나쁘지 않고 나빠지지 않을 것입니다. 아인슈타인의 일반상대성이론으로 예측됐으며 실제로 지금까지의 관측을 통해 이런 현상은 많이 발견됐다. 밝기의 변화와 같은 현상의 패턴이 나쁘지 않기 때문에 크기를 관측하면 중력렌즈 효과를 일으키는 천체에 대한 정보를 얻을 수 있다. 초신성의 밝기 변화를 관측해 블랙홀 같은 암흑물질 후보 규모를 파악하자는 것이었다. 주스트릴라 카를류이와 셀야크 연구팀은 초신성 관측 자료를 통해 이들 별의 밝기를 분석해 중력렌즈 효과가 얼마나 나쁘고, 어떤 방법으로 일어나 기쁘지 않은지에 대한 통계적 방법으로 연구를 진행했습니다. 결과는 아쉬움을 남겼다. 중력 렌즈 효과를 일으키는 콤팩트한 천체(블랙 홀이 유력)전체를 합쳐도 우주 전체에 있는 물질 중 35%는 37%를 넘을 수 없습니다는 결론이 나쁘지 않았다. 이 결과는 태양질량 중 하나보다 무거운 천체에 유효하다고 할 수 있습니다. 결론을 풀어 스토리하자면, 블랙홀과 같은 중력렌즈 효과를 일으키는 천체도 현재 흔히 우주론에서 필요로 하는 암흑물질의 양을 채우기에는 도저히 불가능하다는 것이었다. ​ 아직 논문에서 발표되지 않았지만 같은 연구 팀이 더 많은 초신성 관측 자료를 분석한 결과는 더 비관적 단 하나 048개의 밝은 제 Ia형 초신성을 같은 방식으로 분석했지만 이번에는 한계치가 23%로 더욱 떨어졌다는 것이었다 암흑 물질의 정체를 명확히 하는 작업은 다시 교착 상태에 빠졌다. 아주 작은 미시 입자부터 거대한 블랙홀까지 여러 단계에서 암흑 물질의 정체를 찾으려고 노력했지만, 어느 것도 나쁘지는 않은 물질로 암흑 물질 문제 전체를 해결하기는 어려울 것 같다는 잠정 결론에 이르렀습니다. 다양한 프로젝트를 통해 각종 암흑물질 후보들이 실제로 존재하지만 그 양은 미미한 것으로 나타났다. 찾아야 할 거대한 암흑물질의 존재가 남아 있지만 다른 한편으로 여러 형태로 존재하는 것으로 밝혀진 암흑물질 연구도 함께 해야 한다. 그들의 양은 여전히 적지만 그 정도로 존재하는 이유를 밝히는 것도 중요한 도전일 것이다 암흑 물질 문제를 더 복잡하게 만들긴 했지만 무시할 수는 없는 사실이었다 주스트릴라 카루이와 셀야크의 연구 결과가 암흑 물질의 정체를 밝혀내는 데 큰 관심을 모은 것은 사실이었다 그러나 이들의 연구결과는 원시 블랙홀 형성을 연구할 때도 나쁘지 않고 다른 블랙홀 연구를 할 때 중요한 제한조건으로 작용할 것이다. 이러한 관측 결과를 만족시키는 이론이 나쁘지 않기 때문에, 해석이어야 현실성이 있다고 생각할 수 있기 때문이다. 암흑에너지 연구보다는 다소 나쁘지는 않다고 여겨졌던 암흑물질 연구가 다시 원점으로 돌아간 느낌이었던 셀야크의 이야기처럼 우리는 암흑물질이란 무엇인가라는 질문을 다시 던져야 하는 귀추에 놓이게 됐다. "사실, 우리는 좋은 옵션이 부족할 것입니다."라는 셀야크의 스토리를 인용하지 않아도, 우리가 내세운 몇 가지 암흑 물질 후보들이 만족스러운 결과로 관측되지 않는 것이 현실이었다 역시 어느 후보를 내세워야 할지 난감한 것도 사실이었다. 그러나 모르는 것이 무엇인지"알았다는 것은, 과학에서는 새로운 도전의 시작을 의심하는 것입니다" 셀야크의 스토리를 다시 인용할 생각입니다. 이는 미래 세대를 향한 도전입니다."2개세기의 천문학은 여전히 20세기의 과제인 암흑 물질과 암흑 에너지의 정체를 밝히는 데 집중하는 것이었다 ​​

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필자 이명현, 과학저술가, 천문학자, 경향신문, 초등학생 때부터 천문잡지 애독자로 고등학교 시절 유리구슬을 닦아 망원경을 만들었다. 연세대 천문기상학과를 자신과 네덜란드 플로닝겐대에서 박사학위를 받았다. 네덜란드 シェ테인 천문학연구소 연구원, 대한민국 천문연구원 연구원, 연세대 천문대 책임연구원 등을 지냈다. 외계 지성체를 탐색하는 세티(SETI)연구소 태웅민국 본택이기도 하다. 이명현의 별 세는 밤 스페이스 빅히스토리 최초 등 다수의 저서와 역서가 있다.