천문학에서의 암흑물질 존재에 대한 근거 - (2)

목차

1. 우주에서의 구조적인 면

2. 빅뱅당시의 핵융합

3. 암흑물질이 존재하진 않는 은하

 

 

 

 

 

1. 우주에서의 구조적인 면

관측기술이 발달하면서 우리 은하 외에도 우주에는 수많은 은하가 존재한다는 사실이 알려지기 시작하였고 그 이후에는 이러한 은하들이 아주 넓은 우주에 균일하게 분포하고 있다는 사실도 알려지게 되었다. 이러한 사실들에 대해서 수많은 과학자들과 천문학자들이 연구를 진행하였고 그중 마거릿 겔러와 존 허크라라는 과학자들이 우주에 분포하고 있는 은하들을 하나하나 분광으로 관측을 진행하였고, 그 결과로 그 수많은 은하들이 서로 연결된 것과 같은 벽의 존재 구조인 그레이트 월을 1989년 애 발견하게 되었다. 그리고 은하가 거의 없거나 그 수가 아주 적은 공동이 있다는 사실도 알게 되었다. 그들은 계속해서 관측을 진행하였으며, 이러한 은하들이 수억 광년에 걸쳐서 거품과 아주 유사한 필라멘트 구조를 가지고 분포해 있다는 사실도 밝혀내게 되었다. 이러한 필라멘트들이 서로 만나는 지점에는 은하단이 존재하였는데 은하단은 은하들이 아주 많이 모여있는 것을 말한다.  우주의 거대한 구조라고 말해지는 이러한 구조는 우주공간에서의 은하들의 분포된 양상을 나타내었으며 수십만 개의 은하들의 위치를 바탕으로 우주 은하 지도를 그렸고, 이러한 은하들의 거리는 실제로는 그들이 가지고 있는 질량에 비해 서로 너무 먼 거리에 있기 때문에 그들 은하의 중력으로만으로는 이러한 구조를 만들어낸다고 생각하기는 힘들었다. 따라서 여기서 또한 관측되지는 않지만 이렇게 멀리 떨어져 있는 은하들을 붙잡아 두게 하는 추가적인 중력을 만들어내는 암흑물질의 도입이 필요하게 된 것이다. 오늘날 과학기술이 발전함과 동시에 컴퓨터의 계산 능력도 많이 발전하게 되어 이러한 우주 전체에 대한 중력 시뮬레이션이 가능하게 되었다. 2000년도에 이루어진 밀레니엄 시뮬레이션 결과 암흑물질이 실제로 관측된 은하들과 비슷한 필라멘트 구조를 가지고 있을 거라는 예측이 나오게 되었다. 이 말은 즉슨 우주공간에 그 수많은 은하들이 필라멘트 구조와 유사한 형태로 우주의 거대 구조를 형성하고 이러한 은하들의 분포에는 보이지 않는 물질들을 분포하게 하였고, 빅뱅 이후에 우주에 널리 팽창되어 퍼져간 가스가 암흑물질의 밀도가 아주 높은 곳으로 끌려 들어오면서 이러한 은하들을 탄생시킨 것이라고 생각되게 되었다. 

 

2. 빅뱅당시의 핵융합

지금껏 우주에서 측정되어진 수소와 헬륨의 질량비율이 3대 1 정도라고 알려져 있다. 여기서 1을 차지하는 헬륨은 항성의 핵융합과는 전혀 관련이 없는 빅뱅 초기의 아주 뜨거운 우주에서 만들어진 핵융합에 의해 만들어지게 된 것이다. 하지만 이런 비율이 나오기 위해서는 빅뱅 당시의 우주의 바리온 즉 일반적인 물질의 대략 5% 정도가 되어야만 한다. 그러나 우주배경복사나 초신성들을 연구한 결과에는 실제로 물질의 비율은 대략 30% 정도이고 이것은 우주에 존재하고 있는 질량의 약 83.3% 정도가 핵융합에 전혀 관계하지 않은 일반적이지 않은 물질들로 이루어져 있다는 것을 의미한다. 그렇다면 이렇게 많은 양의 알려지지 않은 이 물질들은 과연 무엇이었을까?

 

3. 암흑물질이 존재하진 않는 은하

신기하게도 암흑물질이 거의 존재하지 않는 은하가 암흑물질이 존재한다는 것을 뒷받침하는 근거가 되기도 한다. 이것은 수정된 뉴튼역학과 같은 암흑물질 대안 이론들에 큰 충격이 가해지게 되었다. 수정된 뉴튼역학은 암흑물질이라는 새로운 질량을 도입하지 않고 그 대신에 중력 자체가 은하전체를 다 커버할 정도의 먼 거리에서는 오히려 더 강력하게 작용한다고 주장하면서 은하 외부 천체에 대한 공전 속도에 대해서 설명하려 하였다. 하지만 이 이론은 공전하는 속도가 다른 비슷한 은하보다도 매우 느려지는 경우에는 그러니깐 중력의 크기가 작아지는 경우에 대해서는 설명을 할 수가 없다. 하지만 암흑물질과 연관 지어 설명을 하면 공전 속도 간의 차이가 암흑물질 양의 차이로 설명이 가능하다. NGC 1052-DF2 은하는 암흑물질이 거의 없는 은하로 유명하다. 최초에 암흑물질이 나왔을 때는 은하 내에서의 천체의 공전속도가 우리의 예상보다 빨랐다는 데 있었다. 이러한 은하에서 관측된 것들을 합한 질량만으로는 천체가 그렇게 빠른 속도로 공전함에도 불구하고 은하에서 떨어져 나가지 않는 것이데 대해서 설명이 불가능하기에 보이지 않는 물질인 암흑물질에 대한 질량을 도입하게 된 것이었다. 하지만 이러한 은하 내부의 천체의 속도는 느려서 암흑물질이 조금만 존재한다 해도 천체의 공전속도에 대한 설명이 가능하였고, 이러한 발견에 의해 암흑물질에 의해서 은하가 만들어진다는 이론은 수정되게 되었다. 그리고 이러한 은하의 질량을 재는데 활용한 은하의 개수가 10개 정도밖에 되지 않았기에 충분히 신뢰할만하지 못하다는 비판도 있었다. 현재의 견해는 이러한 우주의 질량을 대부분 차지하고 있는 암흑물질이 서로 간의 중력에 영향을 미쳐서 우주의 무한한 팽창을 억제하는 효과를 가지고 있는데 예전에는 이러한 우주 전체 물질의 질량을 측정해 내면 이것으로부터 우주의 현재 나이와 우주의 미래도 예측이 가능할 것으로 생각되었다. 그러나 우주 팽창을 가속화시키는 암흑에너지가 발견됨에 따라서 오늘날에는 암흑물질과 암흑에너지의 양을 모두 다 알고 있어야지만 우주의 미래를 예측할 수 있다고 한다. 현재 관측된 암흑물질과 암흑에너지의 비율은 3대 7 정도이며 이것으로 인해 우주는 결국 우주 공간이 계속 끝없이 팽창하여서 절대영도에 수렴하거나 과도하게 팽창하여 결국에는 원자단위로 산산조각 날지도 모른다는 예측을 하고 있다.