천문학에서의 암흑물질에 대한 또다른 이야기

목차

1. 암흑물질에 대한 반대 의견

2. 중력렌즈에 대하여

3. 암흑물질을 구성하는 입자의 질량

 

 

 

 

 

 

1. 암흑물질에 대한 반대 의견

과학자들은 중력은 있으면서도 다른 물질이나 빛에는 상호작용하지 않는 미지의 물질인 암흑물질에 대해서 가설을 세운것에 대해서 반대하는 견해도 다수 존재한다. 일반적으로 물질의 성질을 가지지도 않으면서 중력에 대한 것만 설명할수 있는 건 너무 논리가 빈약하다고 생각하기 때문이다. 실제로도 페르미온, 하드론, 그리고 보손 등 양자역학 조건을 만족하는 입다들 중에서 이런 조건을 만족하는 물질은 없었다. 양자역학에서 예측된 입자들 중에서 아직까지 발견이 안된 것은 있어도 예측이 안된 입자가 발견된 적은 없으므로 암흑물질에 대한 신뢰를 떨어뜨리는 결과를 얻게 된다. 암흑물질보다는 양자역학이 좀 더 과학적이고 이론적임은 두말할 필요는 없을거 같다. 현재 얘기되고 있는 암흑물질의 특성은 너무 비상식적이고 다소 비논리적이기도 하여서 중력외에는 어떠한 현상이나 관측할수 있는 가능성을 제공하고 있지 않다. 오히려 이상중력현상이야말로 기존의 이론에 억지로 끼워맞춰진 듯이 보인다. 암흑물질이 실제로 존재한다면 과학자들의 실험으로 검증되거나 증명되어야 되지만 그렇지 못한 부분에 있어서 실증과학분야의 연구가들에게는 충분히 반감을 살만하다. 현대의 우주론에서는 우주의 가속 팽창에 대한 문제를 해결하기 위해서 암흑물질 뿐만 아니라 암흑에너지라는 개념을 추가로 도입하였고 기존에 암흑물질을 부정하던 과학자들은 중력에 대한 이론을 수정함으로 인해 이 두가지에 대한 것을 한번에 해결할수도 있게 될지도 모르겠다. 일부 수정된 중력이론이 아닌 아인쉬타인의 일반상대성이론으로 이것을 해결하려는 움직임도 있다. 간단히 설명하자면 엄청난 질량이 그 주변의 시공간을 휘게 만듦으로 인해 그 시공간내의 중력장이 왜곡된다는 것이다. 이러한 효과를 고려한다면 실제 관측에서 처럼  아주 먼거리에서 천체의 공전속도가 기존의 속도보다 더 빨라져야 된다. 여기서 수정된 중력이론은 뉴튼역학에 위배 되는 우주의 천체 현상을 설명하는데 있어서 암흑물질을 도입하지 않는 것을 목적으로 하는 이론을 말한다. 현재까지 알려진 중력에 대한 법칙은 사실상 우리의 태양계 내에서는 잘 맞아 떨어지지만 큰 규모의 은하나 은하단과 같은 곳에서는 잘 안맞기 때문에 암흑물질이라는 어떤 가상의 질량이 존재하는 것처럼 보일뿐이라는 가설이라 말할수 있을지도 모르겠다. 뉴튼이나 아인쉬타인의 중력 법칙에 대해서 수정을 가하여 암흑물질에 대한 문제를 해결하려는 시도들이 이루어지고 있다. 그 예로서 은하회전곡선과 은하단 내의 은하들 운동 및 중력렌즈도 이미 설명할수 있는 이론들이 존재하고 있다. 또한 수정된 뉴튼역학은 2004년에 야코브 베켄슈타인에 의해 제안된 이론으로서 중력을 일으키는 근원이 되는 물질이 양자뿐 아니라 스칼라 입자와 벡터장에 의한 것이라는 내용이다. 이 이론의 주요 기반이 된 것은 미국의 로버트 디크 와 칼 브란스에 의해 제안된 스핀이 제로인 입자와 스핀이 2인 중력자가 서로 상호작용을 하여서 인력을 끌어낼수 있다는 사실에 기인하며, 전자기력의 매개물로 알려진 스핀이 1인 입자가 물체를 끌어당기는 인력과 물체를 밀어내는 척력을 모두 작용하게 한다고 주장하였다. 즉 어떤 물체에 작용하는 중력이라는 것은 아인쉬타인의 중력자 뿐만 아니라. 벡터와 스칼라 입자가 동시에 함께 작용하여 모든 입자들이 중력의 힘을 받게 만든다는 것이 핵심이다.

 

 

2. 중력렌즈에 대하여

암흑물질이라는 것이 이미 그전에도 많이 거론되었지만 우주에 존재하는 대부분의 질량을 차지하고 있으므로 사실상의 중력의 분포가 곧 암흑물질의 분포로 봐도 무방할 것이다. 거대한 은하와 같이 그것의 질량이 엄청 큰 천체들은 그 은하뒤에서 오는 빛을 왜곡하여 휘게 만들어낸다. 이것으로 인하여 배경이 되는 은하의 형상이 마치 렌즈가 굴절된 상처럼 왜곡현상이 일어나게 되는 것이다. 그러나 이러한 왜곡의 정도를 꺼꾸로 추적해 들어가면 렌즈 은하의 질량 분포를 추정해 낼수가 있다. 하지만 대부분의 경우에는 중력렌즈현상은 발견되기가 어렵고 쉽지 않기 때문에 수천개 이상의 배경 은하들의 왜곡된 형태를 분석하는 방법이 이용되고 있는 것이다. 그렇지만 배경이 되는 은하의 갯수가 정해져 있어서 실제로 얻어지는 분포된 이미지는 원래의 이미지보더 훨씬 해상도가 떨어지게 되어있다. 거기다가 원래 은하의 모양이 찌그러져 있는 것인지, 실제로 왜곡되어 찌그러진것인지 구분할 방법이 없기 때문에 이러한 방법으로 얻는 질량의 분포가 어디까지 신뢰할 수 있는지는 미지수이다. 하지만 충분히 많은 배경이 되는 은하를 확보한다면 유의미한 데이터를 얻을 수 있을지도 모르겠다. 오히려 암흑물질의 후보였던 어떤 것은 오히려 중력렌즈로 인해 그 존재가 부정당한 사례가 발생하게 된다. 특히 갈색왜성 이나 블랙홀 등의 밀도가 매우 높은 천체가 배경에 있는 별 앞을 지나칠 경우에는 이들 중력이 볼록렌즈처럼 작동을 하여서 배경이 되는 별의 상을 확대시키는 현상이 일어난다. 관측하는 사람의 입장에서 봤을때는 별이 어느순간 갑자기 밝아졌다가 다시 원래의 밝기로 되돌아가는 것이 관측이 된다. 이것을 미세중력렌즈현상이라고 말하는데 아주 멀리 떨어진 은하의 별들을 지속적으로 관측하게 되면 우리 은하내에 있는 암흑물질등에 의해서 일어나는 중력렌즈를 관측하는 것이 가능해지고 이것을 통해서 전체의 암흑물질이 이들 중에 차지하는 비율이 얼마나 되는 지 계산 할수 있는 것이다.