천문학에서의 암흑물질 존재에 대한 근거 - (1)

목차

1. 은하의 회전운동

2. 은하 질량관련

 

 

 

 

 

1. 은하의 회전운동

일단 암흑물질을 논하기 앞서서 은하의 회전하는 운동에 대한 이야기를 해보려고 한다. 암흑물질 존재 근거로서 대표적인 예가 은하의 회전운동인데 1939년에 밥콕이라는 과학자가 은하 주변의 회전속도가 우리가 예상한 것과는 다른다는 것을 최초로 발견하였다. 우주에서 어떤 특정 질량을 가진 천체를 중심으로 주변을 회전하는 별들을 잘 살펴보면 그 중심으로 부터 거리가 멀면 공전속도가 느려지고 상대적으로 중심에서 가까우면 공전속도가 빠르다는 것은 케플러 법칙에 의해서도 잘알려진 사실이다. 우리 은하 역시 그 중심부로 들어갈수록 그 중심부를 구성하는 별들의 밀도가 증가하게 되고, 관측 가능한 질량느 태양 궤도의 안쪽에 분포되어 있는 것으로 알려져 있다. 우리 은하 중심에서부터 태양 궤도 보다 밖에 있을 수록 케플러 법칙에 의하여 별들의 공전 속도가 느려 질 것이라고 생각되어졌다. 이에 따라 루빈과 켄트 포드라는 과학자가 은하 회전속도를 체계적으로 측정하였으나 그들의 예상과는 달리 은하 중심부에서 바깥으로 나갈수록 오히려 회전 속도가 감소되지 않는 다는 사실을 발견하였다. 그리고 그 관측결과를 1975년에 발표한다. 1980년대에는 대형 광학 망원경이나 보다 향상된 전파 망원경 기술로 우리 은하를 공전하는 별들의 실제 움직임을 관찰하여 그들의 공전속도를 정확히 계산해 내었고 이러한 관찰들을 통해서 루빈과 켄트 포드의 은하에 대한 별들의 회전속도의 관측이 실제로 입증이 되면서 암흑물질이 존재한다는 것이 학계에 기정사실로 받아들여지게 되었다. 이것은 우리 은하의 바깥쪽의 별들 질량을 훨씬 넘어서는 많은양의 그 어떤 보이지 않는 질량이 존재하지 않고는 더이상 설명되지 않는 현상이었다. 우리 은하를 둘러싸고 있는 이러한 소위 암흑물질은 그것이 없을 경우에 우리 은하 바깥의 별들의 자체 공전에 의해서 우리 은하에서 멀어져 나가야만 한다. 하지만 이러한 현상은 우리 은하 뿐 아니라 우리 은하 외부의 다른 은하에서도 똑같이 관측되는 현상이었으며, 이것은 우주에 존재하는 대부분의 은하들이 그들 자신의 질량보다도 훨씬 무거운 어떤 알수없는 힘의 지배에 있다는 것을 의미하기도 하였다. 

 

2. 은하 질량관련

우리은하 내에서의 암흑물질 존재에 대한 관측에 1933년 스위스 천문학자 프리츠 츠비키가 머리털자리 은하단을 관측하면서 최초로 이슈가 되었다. 프리츠 츠비키가 관측한 머리털자리 은하단의 중심부에 위치한 은하들의 속도는 무려1000km/s 가까이 되었으며,  이렇게 빠른 속도로 회전하는 은하들을 잡아놓으려먼 엄청나게 높은 질량을 가진 어떤 천체가 그 은하단의 중심에 있어야 한다는 것을 의미하는 것이었다. 그렇지만 이 은하단에 존재하고 있는 항성들과 가스 등의 총량이 이러한 질량을 설명하기에는 너무나 부족하였다. 거기다가 규모가 아주 큰 은하단들에서는 아주 강력한 중력렌즈 효과가 발생되었으며, 이것 또한 그런 은하들의 질량을 측정하는 것만으로는 설명이 불가능한 것들이었다. 현재까지 측정된 은하단의 총질량은 대략적으로 태양의 10조배에 달하는 질량을 가지고 있는데 운동학적인 질량은 태양의 100조배를 넘기는 경우가 허다하였다. 은하단들의 실제 질량은 실제로 관측되는 부분보다 훨씬 더 많다는 것을 볼때 그 은하단 내부에는 엄청난 양의 암흑물질이 내포되어 있어야 한다는 것을 의미한다. 이러한 암흑물질이 없다면 이렇게 아주 빠른 속도로 회전하는 은하단의 은하들은 그 은하단의 중심에서 떨어져 나가야만 하는 것이었다. 하지만 이러한 암흑물질들이 그런 은하단의 빠른 회전속도에도 불구하고 은하들이 이탈하지 않도록 붙잡고 있는 것으로 추정되며, 은하와 비슷하게 이러한 암흑물질도 아주 넓은 범위내에서 전체적으로 은하단을 둘러싸고 있을 것으로 추측하고 있다. 은하단과 은하단이 충돌하는 경우에도 암흑물질의 존재가 여실히 드러난다. 예를 들어 두개의 충돌하는 총알 은하단은 그 은하단들의 분포에서 서로 양쪽으로 두개의 큰 집단을 이루고 있는데 은하단내에서의 기체 분포는 은하들의 운동을 따라가지 못하고 충돌한 그 지점에 머물고 있고 이것은 은하단을 구성하고 있는 항성들이 서로 충돌면적이 작아서 서로를 비껴 지나가는 상태인 반면에 온도가 아주 높은 기체들은 서로간의 충돌면적이 높음으로 인해 운동에너지를 손실하고 그 자리에 머무르고 있는 것이다. 여기서 은하단의 외곽의 푸른색으로 분포되어 있는 부분이 있는데 이는 중력렌즈를 통해서 얻어진 은하단의 전체적인 질량 분포이며 이것은 기체가 아니고 은하들의 분포와 일치하고 있는 것이다. 이것은 은하단을 구성하고 있는 물질들 대부분이 별이 아닌 가스 형태로만 존재한다는 것과 반대이며, 이것은 곧 이러한 가스들의 질량을 훨씬 넘어선 정도의 엄청난 양의 암흑물질과 함께 은하단이 같이 움직였다는 것을 의미하기도 한다.