암흑물질이 없는 은하가 있다

우주를 이루는 전체 물질 중에서 우리가 눈으로 볼 수 있는 별이나 가스(일반 물질)는 고작 15%에 불과하다. 나머지 85%는 빛을 내지도 않고 빛을 반사하지도 않아 절대 눈에 보이지 않지만, 엄청난 질량과 중력으로 우주를 꽉 붙잡고 있는 유령 같은 존재, 바로 '암흑물질(Dark Matter)'이다. 암흑물질의 강력한 중력이 없었다면 빙글빙글 도는 은하 속의 별들은 원심력 때문에 진작에 우주 밖으로 뿔뿔이 흩어졌을 것이다. 그래서 현대 천체물리학은 "모든 은하는 반드시 거대한 암흑물질 덩어리(헤일로)로 둘러싸여 있다"는 것을 철칙으로 삼아왔다. 그런데 2018년, 허블 우주 망원경이 찍은 6,500만 광년 밖의 한 은하에서 과학자들의 뒤통수를 후려치는 기괴한 데이터가 전송되었다. 암흑물질이 단 한 줌도 없는, 텅 빈 껍데기 같은 미친 은하가 발견된 것이다. 우주 물리학의 교과서를 찢어버릴 뻔한 'NGC 1052-DF2' 은하의 미스터리와 그 파장을 들여다보자.

유령 은하, NGC 1052-DF2의 등장

미국 예일대 연구진이 찾아낸 NGC 1052-DF2(줄여서 DF2)라는 은하는 생김새부터 기괴했다. 크기는 우리 은하만큼 거대한데, 별의 개수는 우리 은하의 200분의 1밖에 안 되는 희미한 '초미세 은하(Ultra-Diffuse Galaxy)'였다. 별들이 너무 듬성듬성 있어서 은하 뒤편의 우주 배경이 투명하게 다 비쳐 보일 정도였다. 이 유령 은하의 진짜 미스터리는 은하 주변을 맴도는 눈부신 구상성단(별들의 무리)들의 '움직이는 속도'를 측정하면서 터져 나왔다. 은하에 암흑물질이 가득 차 중력이 강력하다면, 별들은 튕겨 나가지 않기 위해 엄청나게 빠른 속도로 팽팽하게 궤도를 돌아야 한다. 하지만 DF2 은하의 성단들은 고작 초속 8km라는 기가 막히게 느린 속도로 달팽이처럼 흐느적거리며 돌고 있었다.

암흑물질이 0이다, 붕괴하는 패러다임

연구진은 별들의 느린 속도를 뉴턴의 중력 법칙에 대입하여 이 은하의 '진짜 질량'을 계산해 보았다. 결과는 충격적이었다. 은하 전체의 질량에서 눈에 보이는 별들의 질량을 빼고 나니, 암흑물질이 차지해야 할 질량이 '0'에 가깝게 나온 것이다. 이것은 현대 우주론의 근간을 뒤흔드는 폭탄 선언이었다. "암흑물질이 중력으로 가스를 뭉쳐 별을 만들고 은하를 탄생시킨다"는 우주의 절대 법칙이 깨져버린 것이다. 암흑물질이 뼈대를 잡아주지 않는데 이 별들은 도대체 어떻게 은하의 모양을 유지하고 우주 공간에 뭉쳐있는 것일까? 과학계는 발칵 뒤집혔다. "너희가 별의 속도를 잘못 잰 것이다!", "은하까지의 거리를 착각한 거다!"라며 전 세계 천문학자들이 DF2 은하를 향해 관측 장비를 총동원하며 논쟁의 전쟁터가 열렸다.

은하의 충돌이 빚어낸 우주의 교통사고

반박과 재반박 끝에, 허블 망원경의 정밀 관측을 통해 DF2 은하에 암흑물질이 없다는 사실은 2021년 결국 사실로 확인(거리 7,200만 광년)되었다. 게다가 쌍둥이처럼 똑같이 암흑물질이 없는 은하(DF4)가 바로 옆에서 하나 더 발견되었다. 그렇다면 이 암흑물질 실종 사건의 범인은 누구일까? 과학자들은 '초거대 은하들의 충돌'이라는 시나리오를 제시했다. 수십억 년 전, 암흑물질을 듬뿍 가진 거대한 은하 두 개가 정면으로 꽝 부딪혔다(교통사고). 이때 두 은하를 둘러싸고 있던 유령 같은 암흑물질들은 마찰 없이 그냥 유유히 서로를 뚫고 지나가 버렸다. 하지만 은하 내부의 가스(일반 물질)들은 끈적하게 부딪히며 거대한 충격파와 압력을 받아 엉겨 붙었다. 이 엉겨 붙은 가스 덩어리들이 암흑물질 덩어리에서 완전히 분리되어 우주 미아처럼 떨어져 나왔고, 훗날 뭉쳐서 듬성듬성한 별을 탄생시키며 지금의 껍데기 은하(DF2)가 되었다는 극적인 시나리오다.

역설적 승리, 암흑물질의 존재를 증명하다

가장 아이러니한 점은, 이 암흑물질이 없는 은하의 발견이 오히려 암흑물질이 존재한다는 가장 강력하고 완벽한 증거가 되었다는 것이다. 일부 비주류 물리학자들은 그동안 "우주에 암흑물질 따위는 없다. 단지 아인슈타인의 중력 방정식이 우주 스케일에서는 틀렸기 때문에 중력 공식을 수정해야 한다(수정 뉴턴 역학, MOND)"고 주장해 왔다. 하지만 만약 중력 공식이 틀린 것이라면, 우주의 모든 은하에서 일관되게 중력의 오차(암흑물질의 효과)가 똑같이 나타나야만 한다. 그런데 DF2 은하처럼 암흑물질이 쏙 빠져버린 은하가 발견되었다는 것은, 암흑물질이 수학 공식의 오류가 아니라 일반 물질과 완벽하게 '분리'될 수 있는 물리적인 실체(입자)임이 완벽하게 증명된 셈이다. ![우주의 미스터리, 깊은 우주의 기괴한 변칙성을 빛나는 홀로그램 망원경을 통해 바라보는 혼란스러운 천문학자](https://image.pollinations.