오늘 소개할 것은 근육을 만들어주는 운동보조제 Dark Matter 에 관한 내용이다[?] ㅋㅋㅋㅋㅋㅋ
현대 물리학 이론에서 양자장론은 엄청난 정확도를 가지고 우리 생활의 여러 힘들을 잘 설명한다.
Standard model[표준모형]은 우리주변의 대부분의 힘을 아주 잘 설명한다. LHC 실험으로 이 표준모형은 그 정확도를 더 정밀해져 갔고 그 힘을 더 받았다. 일단 우리가 살아가고 있는 지구 스케일에서는 표준모형으로 대부분의 모든 현상들을 설명가능하고 또 우리는 그것들을 이용해 살아가고 있다.
그러나 우주적 스케일로 보았을 때 표준모델은 고직 전체 우주의 5%로도 설명하지 못한다. 즉 우주적 스케일로 본다면 우리는 아직도 모르는게 너무나 많다.
관측 데이터로 살펴보면
우주는 74 퍼센트의 암흑에너지 22퍼센트의 암흑물질 그리고 대략 5퍼센트의 matter 들로 구성되어 있다고 한다. 저 5퍼센트 중에 일부만 현재 표준모형으로 설명가능한 것들이다. 암흑물질과 암흑에너지의 구분은 다음 기회로 하고 암흑물질의 성질에 대해 간략히 설명해 보자. 암흑물질은 일단 질량이 있고, 비-상대론적이며 [속도가 느리며], 빛나지 않고[빛과 상호작용이 거의 없을 것이라고 본다] 안정적인 입자들로 대략 우주의 1/4 정도를 구성하고 있다.
처음에 5프로 말고 나머지들에 대해 여러가지 추론이 있었다. 가장 먼저 추론한 사람은 Fritz Zwicky 란 스위스 천문학자로 우주 모델에 virial theorem 이라는 물리 이론을 적용하여 보이지 않는 어떤 물체가 존재해야 한다고 주장했다. [그것이 바로 지금의 DM[Dark matter] 이다.]
Galaxy rotation curve
DM 의 존재에 대해서 이런저런 이야기들이 많았다. 초창기 표준우주모델을 연구하던 사람들은 우주의 CMB 등의 데이터 관측 전에 여러가지 가설들을 세웠었고 DM 과 DE 는 사람들에게 별로 환영받지 못했다.
이후 Vera Rubin 이라는 여성 천문학자가 Galaxy rotation curve 를 관측하면서 DM 의 존재에 대해 힘이 솓기 시작했다. [물론 많은 사람들이 회의적으로 봤으나 결국 그녀의 성과를 인정받았다. 현재 내년 발사 예정중인 우주망원경의 이름에 이분의 이름이 들어가 있다.
Solar system 의 rotation curve 는 뉴턴의 공식에 너무 딱 잘 맞는다.
즉 태양계 스케일에서 태양의 효과에 따른 각 행성들의 움직임을 분석하면 이것이 딱 뉴턴의 만유인력 법칙과 거의 일치하다는 것이다.
그러나 스케일이 조금만 더 커지면 이는 맞지 않는다. Vera Rubin 은 은하 스케일을 가지고 은하의 회전 속도를 측정했다. [ 지구가 태양 중심으로 돌듯이, 은하는 또 은하 중심으로 각종 항성[태양 같은 별들]이 돌고, 또 은하단 scale 에서는 은하가 돈다.]
위키피디아의 사진을 가져왔는데 밑의 점선이 보여지는 물질들로 이루어진 rotation curve 이고 위의 선이 실제 관측으로 얻어낸 속도이다. 이만큼의 속도 차이가 있다는 것은 보이지 않는 큰 물질이 존재한다는 것을 의미한다. 즉 Dark Matter 의 존재를 간접적으로 보인 가장 획기적인 관측이 되겠다.
참고로
과학자들은 우리 은하 말고 여러 은하들에 대해서 Galaxy rotation curve 를 측정했고 대부분의 은하에서 위와 같은 결과를 얻었다. 이런 Galaxy rotation curve 를 측정하는 것으로 은하의 Halo density 를 profile 할 수 있다고 하기도 한다.
[참고로 Dark Matter 말고 MOND(Modified Newtonian Dynamics)나 TeVes(Tensor vector scalar), STVG(scalar tensor vector gravity), f(R), 등등으로 중력이론을 수정하여 Dark Matter 효과를 보려고 하는 이론들도 있다. - 관련하여 여러 글들을 쓴 적들이 있다.]
아무튼 Galaxy rotation curve 는 암흑물질에 대한 연구를 본격하게 시킨 계기가 될 정도로 엄청난 발견이었다.
Galaxy rotation curve 말고 사실 암흑물질의 증거는 정말 많다. 한번 간단히 살펴보자.
Coma Cluster
과학자들은 comma cluster 주변을 인공위성을 통해 x-ray image 로 온도를 측정했다. 측정 결과 중심에 온도가 높고 바깥으로 갈 수록 점점 온도가 낮아진다. 측정된 중심의 온도로 인해 중심의 수소원자의 운동에너지 즉 속도를 측정할 수 있다. 은하의 중심에는 수소원자들이 가득할 텐데 측정된 온도를 보면 저 수소원자들은 바깥으로 퍼저 나가야 했는데 실제로는 은하의 중심에 수소원자들이 가득하다. 어떻게 이게 가능할까? 은하 중심부 주변에 Dark Matter 가 있어서 수소원자들을 잡고 있을 것이라고 생각했던 사람이 바로 Fritz Zwicky 이다.
Gravitational Lensing
또다른 Dark Matter 의 간접적 증거는 중력렌즈 효과이다.
아인슈타인의 일반상대성이론에서는 질량이 있으면 그 질량이 시공간을 휘게 해서 빛이 무거운 물체 주변을 돌때 휜다고 말한다. 질량이 크면 클수록 시공간은 더욱 크게 왜곡되고 빛은 더 크게 휘어져 보인다.
은하 스케일로 gravitational lensing 효과를 관측하다 보면 보이지 않는 matter 가 필요하다는 것을 알 수 있고 관측된결과로 중력렌즈 효과를 주는 질량을 계산해보면 보이지 않는 질량이 아주 크다는 것을 알 수 있다.
중력 렌즈에 대해선 경북대학교 박명구 교수님이 쓴 중력렌즈란 책이 있다. 예전에 사서 한번 보기도 했고 최근에 책꽂이에 찌부려저 있어서 펴기 위해 현재는 바닥에서 다른 책들의 중력효과를 받고 있다.
Bullet Cluster
은하단끼리 충돌했을 때의 측정 결과로도 암흑물질의 존재를 알 수 있다.
중력 렌즈와 Bullet clutser 들은 관측 결과를 토대로 질량을 추정했던 것으로 이로 인해 수치상대론, 시물레이션의 붐이 불었다.
Cosmic microwave background radiation (CMBR)
CMB 데이터로도 dark matter 의 존재를 알 수 있다. CMB 의 power spectrum 분석을 통해 DM 의 존재를 추측해 볼 수 있다.
CMB anisotrpies 로 부터 DM 의 평균 밀도를 측정할 수 있다.
이렇게 우주적 스케일에서 간접적인 관측 말고 현재 많은 물리학자들은 직접적인 DM 관측을 시도하고 있다. 사실 Dark Matter 의 후보들도 정말 많다. 가장 큰 후보로는 WIMP 가 있고
그 외에 m_{DM} 의 Scale 에 따라 [현재 과학자들은 m_{DM} 을 1-100 Gev 정도 생각하고 있음] 여러가지 이론들이 있고 또 각 에너지 스케일에 맞는 실험 설계를 추진중이다. [우리나라에도 관련 실험 연구를 하고 있다.]
관련 내용은 나중에 시간이 되면 또 조사해서 포스팅을 해보도록 하자.
이전 관련 포스팅
이전에 올렸던 암흑물질 관련 내용들... 검색이 잘 안되네?
양자역학 관점으로 보면 우리 몸도 암흑에너지와 암흑물질로 가득차 있지 않을까요?^^
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