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[지식더하기] Dark Matter, 암흑물질은 무엇인가?


아무런 정보도 규칙도, 심지어 그 존재조차 규명되지 않은 수수께끼의 물질, 최근에 그 존재만을 어느 정도 유추하고 있는 ‘암흑 물질'입니다. ‘Dark Matter’라는 특유의 이름 덕에 여러 매체에서 나타나는 수수께끼의 검은 물질에 종종 암흑 물질 혹은 다크 매터라는 이름이 붙여지기도 합니다.

리그 오브 레전드 AP 캐릭터 '베이가'의 스킬, '암흑 물질'

위와 같이 말이지요. 때문에 'Dark Matter'라는 이름은 생소하기보다는 오히려 친숙하게 느껴지기도 합니다. 하지만, '암흑 물질'이 물리적으로 의미하는 것이 무엇인지, 어떤 이유로 생겨난 개념인지. 실제로는 어떻게 분포하고 있는지. ‘암흑 물질’이 어떤 친구인지 궁금하시지는 않으셨나요?


인간이 지성체로서 가지는 가장 큰 특징은, 다양한 현상을 궁금해하는 호기심입니다. 인간은 자신들 주변에서 일어나는, 자연스럽지만 설명되지 않은 현상을 끊임없이 이해하려 노력했고, 그것을 해석하기 위해서 자신들 나름의 “개념”을 정의하고 그러한 개념을 이용하여 우주에서 관측되는 현상들을 물리적으로 해석했습니다. 즉 자연현상이야말로 인류가 만들어낸 '물리학'이라는 인위적인 세계의 시초인 셈입니다.


물리학의 시작점인 고전 뉴턴 역학은 나무에서 떨어지는 사과로 대표되는 일상생활의 현상을 기반으로 고안되어, 질량을 가진 물체에 작용하는 힘과 운동의 관계를 기술합니다. 이후 고전 전자기학과 고전열역학이 따로 발전되고 정립되며 기존의 역학과 융합하게 되고, 그 과정 중에 일어난 이론상의 충돌이 시발점이 되어 각각 속도가 c에 근접할 경우에서의 상대성이론과 분자 단위의 크기의 양자역학으로 이어지게 됩니다.

표1. 물리학 이론이 어떤 경우에 적용되는가

위 표에서 볼 수 있듯이 뉴턴 역학은 그 자체만으로 자연현상의 모든 경우를 설명할 수 없었습니다. 때문에 고전역학으로 설명되지 않는 v가 c에 가까워졌을 경우를 설명하기 위해 상대성이론이 탄생했고, 비슷한 맥락으로 미시적인 관점에서의 운동을 기술한 것이 양자역학입니다. 결국 양자장론을 통해 자연현상의 대부분을 물리적인 이론을 통해 설명할 수 있게 되었지요.


'힘'의 경우도 마찬가지입니다. 현재 인류는 4가지의 힘, 만유인력(gravity), 전자기력(electromagnetic force), 약한 상호작용(weak interaction), 강한 상호작용(strong interaction)을 각각 정의하고 이들을 통해 우리가 관측하고 있는 세상을 설명했습니다. 4가지 힘으로 이루어진 세계는 현실 세계를 완전히 대변했고, 특정한 경우 서로 비슷한 경향성을 보였습니다. 지금 인류는 중력을 제외한 나머지 힘들의 통합에 성공하여 통일장 이론(Unified field theory)의 완성을 앞두고 있습니다.

이렇게 우리가 관측하며 기술하는 ‘힘’에 대한 체계는 긴 시간과 많은 연구자의 일생에 걸쳐져 서서히 완성되어가고 있습니다. 하지만, 지금까지 정립되고 연구되어온 물리적 이론들의 공통점은 우리에게 보이는 세계를 기준삼아 끊임없이 자연계의 현상을 설명할 수 있도록 개편되어왔다는 점입니다. 고전 역학에서 시작하여 지금의 정돈된 물리학 체계, Standard Model이 완성된 것은, 자연현상에 기반한 학문이니만큼 다양한 현실 세계의 현상에 자신들이 디자인한 세계를 끊임없이 빗대어 보고 그 원리를 천착하며 자신들의 오점을 찾아내고 보정하며 자신들의 이론을 완성시켜 온 것입니다.

물리학의 표준 모형

암흑물질을 가정하다


수많은 자연환경의 현상들이 논증되는 와중에, 아래의 예시 또한 이러한 맥락에서 관측되어 현재의 이론과 비교된 자연 현상입니다.



위에서 나타난 두 가지 영상의 차이점이 느껴지시나요?

첫 번째 단락(Theoretical Model)은 이론적으로 계산한 그래프를 나타낸 자료이고,

두 번째 단락(Observed Model)은 도플러 효과(Doppler effect)를 통해 별의 회전속도를 측정한 값을 그래프로 나타낸 자료입니다.


Theoretical Model에서는 케플러의 법칙에 의거한 그래프로 그려졌지만,

궤도가 원 궤도라고 가정하고 고전역학을 적용시키면

만유인력이 별의 원운동에 대한 구심력으로 작용하므로,

은하의 중심에서 r 만큼 떨어진 별에 작용하는

만유인력과 구심력의 크기가 같고, 다음의 식이 성립하게 됩니다.

위 식을 정리하면,

중심으로부터의 거리 r로 표현된 그 별의 회전속도 v를 구할 수 있고,

이 식의 그래프와 영상에서 보이는 이론적 계산에 의거한 그래프의 개형이

거리가 늘어날 때 속력 v가 줄어든다는 점에서 비슷합니다.

하지만 Observed Model에서 관측된 바는

이론적인 계산과 판이하게 나타납니다.

영상에서 나타난 관측결과로 그려진 그래프를 보면,

r이 계속 변화함에도 별의 회전속도는 거의 바뀌지 않습니다.


은하 규모에서 결과적으로 나타난 이 엄청난 오차는, 많은 물리학자들에게 경악을 불러일으켰습니다. 케플러가 400년 전 고안한 이론(Kepler's laws of planetary motion) 에서 치명적인 오류가 발생한 것입니다. 뉴턴 역학에 위배되는 천체현상을 직접 관측한 물리학자들은 이미 확립된 기존 물리학 법칙의 틀 안에서 Observe Model Graph를 설명해야 했고, 이를 위해 여러 가지 가설을 세웠습니다. 그 중 독보적인 것이 바로 아래의 가설이었습니다.


측정하지 못한 M값을 암시한다

이 가설을 위해 고안된 개념이 바로 암흑물질, Dark Matter입니다. ‘측정하지 않는’이라는 표현은 “No interaction”과 같은 표현으로, 만유인력을 제외한 나머지 요소와 상호작용하지 않으면서

질량을 가지며 만유인력에 영향을 주는 입자를 가정한 것입니다.


너무 추상적이고 모호하지 않습니까? 당연히 그렇습니다. 'Dark Matter'라는 개념은 본래 있던 물리학의 모순점을 해결하기 위해 가정한 새로운 입자니까요!


그렇다면 암흑물질은 과연 존재하는가?


전술했듯이 암흑물질이 수많은 가설 중 위 문제를 해결하기 위해 가장 유력한 요소로 꼽히는 이유는, 암흑물질의 도입이 Galaxy rotation문제와 더불어 Galaxy scale에서 일어났던 물리적인 모순이나 의문점들을 이론적으로 설명할 수 있도록 했기 때문입니다. 많은 이론물리학자들이 다양한 예시를 통해 암흑물질이 존재한다는 것, 정확히는 암흑물질이 존재한다고 가정하면 설명할 수 있는 다양한 상황을 예시로 들며 암흑물질의 존재를 계속해서 주장하고 있으며, 이미 암흑물질에 대한 이론적인 연구가 진행되고 있다. 우리들이 지금까지 규명한 Light Section과 상반되며 Dark Matter을 particle로 가지는 Dark Section 또한 portal 이론 등의 이론을 통한 설명과 증명이 활발하게 이루어지고 있으며, 완성 단계에 있다. 그만큼 암흑물질의 존재가 기정사실화 되어가고 있으나,

놀랍게도 암흑물질은 ‘단 한 번도 실험적으로 관측된 바 없다.’

이 암흑물질을 찾아내기 위해서 수많은 곳에서 다양한 방법에서 검출을 시도했고,

지금도 거액의 자금을 통해 연구시설을 설립하고 활발한 관측이 진행되어지고 있으나, 관측이 시작된 이래 단 한 번도 모습을 보인 적 조차 없는 수수께끼의 물질이다.


필요한 피직스 2019 봄호


작성자: 18-070 나채민

분야: 입자물리


참고문헌:

[1]https://sites.google.com/view/kaist-ptg/research


이미지:

[1] https://namu.wiki/w/%EB%B2%A0%EC%9D%B4%EA%B0%80

[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Standard_Model

[4]https://www.livescience.com/64389-dark-matter-around-galaxies-constant.html


동영상:

[1]

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