우주 '암흑 물질'의 시대가 저물고 있나: 새로운 연구, 은하단에서 일반 물질의 우위를 시사

독일 - 이크바리 뉴스 통신사

우주 '암흑 물질'의 시대가 저물고 있나: 새로운 연구, 은하단에서 일반 물질의 우위를 시사

우주의 대부분 질량을 구성한다고 여겨지는 불가사의한 비중입자 암흑 물질에 대한 오랜 탐색이 중요한 도전에 직면할 수 있습니다. 독일 본 대학 팀이 주도한 획기적인 연구에 따르면, 우주에서 가장 큰 중력으로 묶인 구조인 은하단은 과학자들이 이전에 믿었던 것보다 훨씬 더 많은 일반 중입자 물질을 함유하고 있습니다. 저명한 학술지 'Physical Review D'에 게재될 예정으로 최근 승인된 이 발견은 우주의 구성과 중력 자체의 본질에 대한 우리의 이해를 근본적으로 바꿀 수 있습니다.

수십 년 동안, 특히 약하게 상호작용하는 거대 입자(WIMPS) 형태의 암흑 물질 개념은 현대 우주론의 초석이었습니다. 이는 단지 보이는 물질만으로는 설명할 수 없는 은하의 관측된 회전 속도를 설명하기 위해 도입되었습니다. 이 보이지 않는 중력 구조 없이는 은하들이 흩어져 버릴 것입니다. 이러한 외계 입자에 대한 탐색은 약 40~50년 동안 천체물리학 연구의 주요 초점이 되어 왔으며, 이는 프리츠 츠비키(Fritz Zwicky)와 같은 천문학자들이 시작하고 베라 루빈(Vera Rubin)의 기념비적인 연구로 뒷받침된 추구였습니다.

그러나 암흑 물질 입자의 직접적인 탐지 실패는 일부 연구자들로 하여금 은하 역학에 대한 대안적 설명을 탐색하도록 이끌었습니다. 그중 하나는 이스라엘 물리학자 모르데하이 밀그롬(Mordehai Milgrom)이 지지하는 수정 뉴턴 역학(MOND) 이론입니다. MOND는 은하 외곽 지역에서 흔히 나타나는 매우 낮은 가속도에서 뉴턴의 중력 법칙을 수정할 것을 제안합니다. MOND가 관측된 현상에 대한 설득력 있는 설명을 제공하지만, 입자 물리학의 기존 표준 모델에서 벗어난다는 이유로 주류 천체물리학자들에게 종종 회의적으로 받아들여졌습니다.

본 대학이 주도한 새로운 연구는 WIde-field Nearby Galaxy cluster Survey(WINGS)와 Two Micron All Sky Survey(2MASS)의 데이터를 재분석함으로써 새로운 관점을 제시합니다. 이 팀은 Abell 0085, NGC 5044, Abell 1795를 포함한 가까운 은하단에 초점을 맞췄습니다. 약 46개의 은하단 질량을 재계산함으로써 연구원들은 이 거대한 구조들이 이전에 추정했던 것보다 약 두 배 더 무겁다는 사실을 발견했습니다. 결정적으로, 이러한 수정된 질량 추정치는 밀그롬의 MOND 이론의 예측과 놀랍도록 잘 일치합니다.

연구에 따르면, 이 새로 계산된 중입자 질량은 주로 중성자별과 별 질량 블랙홀과 같은 항성 잔해물로 구성되어 있으며, 또한 은하단 내부 물질(intracluster matter)에 기여하는 저질량, 금속 풍부 별들의 증가된 개체수가 포함되어 있습니다. 본 대학 및 찰스 대학의 천체물리학자이자 논문의 공동 저자인 파벨 크루파(Pavel Kroupa)는 이메일을 통해 그 중요성을 설명했습니다. "우리 논문은 은하단 내 항성 및 가스 함량에 대한 정확한 계산을 제공하며, 이는 최초로 주기율표의 모든 원소를 고려합니다. 이는 은하단이 생각했던 것보다 일반 물질로 인해 약 두 배 더 무겁다는 결론으로 이어집니다."

이 수정은 기존 암흑 물질 모델에 심오한 영향을 미칩니다. 크루파는 "지금까지 은하단은 일반 물질보다 5~10배 더 많은 암흑 물질을 포함한다고 생각되었지만, 이제 '갑자기' 우리는 그것들이 2.5~5배밖에 포함할 수 없다는 것을 알게 되었습니다."라고 설명했습니다. 그는 이것이 많은 기존 암흑 물질 모델이 근본적으로 잘못되었을 수 있음을 시사한다고 덧붙였습니다. 본 대학 박사 과정 학생이자 논문의 주저자인 동 장(Dong Zhang)은 이러한 항성 잔해물들이 중입자 '암흑 질량'의 한 형태로 간주될 수 있으며, 이전에 외계 입자에 기인했던 격차를 효과적으로 메운다고 더 자세히 설명했습니다.

이 발견은 또한 MOND가 다른 우주론적 수수께끼를 설명하는 능력을 뒷받침합니다. 크루파는 MOND가 10억 년 이내에 형성된 것으로 보이며 우리 은하보다 훨씬 더 많은 가시적인 물질을 보유하고 있는 거대 타원 은하의 빠른 형성을 이해하는 데 필요하다고 언급했습니다. 또한, 대마젤란운과 소마젤란운과 같은 가까운 왜소 은하 주변에서 암흑 물질 헤일로가 관측되지 않는다는 점은, 헤일로 부재로 인해 은하가 거의 병합되지 않는 MOND 예측과도 잘 일치합니다.

크루파는 암흑 물질 연구의 미래에 대해 강한 회의론을 표명하며 다음과 같이 말했습니다. "지난 40년 동안 암흑 물질 연구에 큰 진전이 없었습니다. 따라서 암흑 물질 연구에 계속 자금을 지원하는 것은 분명히 잘못이며, 그러한 작업은 납세자 돈의 막대한 낭비입니다." 이러한 감정은 암흑 물질 입자에 대한 경험적 증거 부족에 대한 과학계 일부의 증가하는 좌절감을 강조합니다.

비록 논쟁이 아직 끝나지 않았지만, 이 연구는 우주의 부족한 질량이 그렇게 신비롭지 않을 수도 있으며, 이전에 과소평가되었던 형태와 양으로, 우리가 이미 이해하고 있는 중입자 물질 내에 숨겨져 있을 수 있다는 설득력 있는 대안적 서사를 제공합니다. 우주론, 입자 물리학 및 우주에 대한 우리의 근본적인 이해에 미치는 영향은 막대합니다.

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