천문연, ‘우주 팽창 논쟁’ 암흑물질로 새로운 접근 나선다

기존 표준우주론 벗어나 물리적 성질 재조명

한국천문연구원 연구진은 새로운 시나리오(우측)에서는 암흑물질의 물리적 성질이 기존 가정에서 미세하게 벗어날 가능성을 허용함으로써, 암흑에너지의 보다 단순한 변화로 관측 결과를 설명할 수 있다고 밝혔다.  (그래픽=천문연 제공)

한국천문연구원(원장 박장현) 연구진이 최근 천문학계 '우주 팽창 논쟁'에 대한 새로운 해석을 내놓았다. 최근까지 논의는 '암흑에너지가 시간이 갈수록 약해진다'는 방향에 우세하게 제기되었는데, 암흑물질이 기존에 알려진 것과 다른 성질을 가졌다고 가정하면 암흑에너지가 복잡하게 변화하지 않아도 최근 관측 결과를 설명할 수 있다는 것이다.

한국천문연구원(원장 박장현)은 28일 샤피엘루 알만(Arman Shafieloo) 박사와 장준첸(Jun-Qian Jiang) 박사 주축의 연구팀이 우주가 팽창하는 동안 암흑물질이 아주 작은 양의 압력을 가져 우주 팽창에 따라 밀도가 보통 물질보다 조금 더 빠르게 감소한다고 가정하는 연구결과를 미국 천체물리학 저널 레터스(The Astrophysical Journal Letters) 10월 10일자에 발표했다. 이러한 가정에서 암흑에너지가 영원히 일정한 상수가 아니라 시간에 따라 약해지고 있을 가능성이 있다는 미국 암흑에너지분광장비(이하 DESI)의 최신 관측을 해석할 수 있게 된다고 밝혔다. 이는 천문학계의 최근 중요 화두인 암흑물질의 성질에 관한 연구인데, 미국 암흑에너지분광장비(이하 DESI)를 통해 암흑에너지가 영원히 일정한 상수가 아니라 시간에 따라 약해지고 있을 가능성을 제기되면서 시작됐다.

우주를 구성하는 에너지의 약 95%는 암흑물질과 암흑에너지가 차지하고 암흑물질은 빛을 내거나 반사하지 않아 직접 관측하기 어렵지만, 중력을 통해 은하의 움직임과 구조 형성에 영향을 미친다. 암흑에너지는 우주의 팽창이 점점 빨라지는 현상을 설명하기 위해 도입된 개념이고, 암흑물질이나 암흑에너지의 정체와 물리적 성질은 아직 밝혀지지 않았다. 현재 널리 받아들여지는 표준 우주론에서는 암흑물질은 압력이 없는 물질처럼 행동한다고 우주가 팽창할 때 암흑물질의 밀도가 일반적인 물질과 같은 방식으로 감소한다는 것이다.

샤피엘루 알만(Shafieloo Arman) 박사는 "이번 연구의 의의는 암흑에너지의 복잡한 변화를 가정하지 않고도 최근 우주 관측 결과를 설명할 수 있는 새로운 가능성을 제시했다는 데 있다"며 "특히 암흑물질이 보통 물질과 같은 방식으로 행동한다는 오랜 가정에서 벗어나, 암흑물질의 물리적 성질을 새롭게 살펴볼 필요성을 보여준다"고 말했다.

김진호 천문연 우주진화센터장은 "올해 노벨물리학상은 남극 얼음 1㎦에 센서를 묻어 중성미자를 잡아낸 아이스큐브(IceCube) 실험에 돌아갔는데, 아이스큐브는 암흑물질이 붕괴하거나 소멸할 때 나오는 중성미자를 찾는 암흑물질 탐색의 최전선이기도 하다"며 "이 실험이 입자를 직접 잡으려는 시도라면, 천문연의 이번 연구는 우주 팽창 역사라는 큰 그림에서 암흑물질의 성질을 거꾸로 추적한 것으로, 두 접근이 만나는 지점에 암흑물질의 정체가 있다"고 밝혔다.

연구진은 내년부터 관측과 시뮬레이션 및 이론을 융합한 암흑물질 연구 프로젝트인 천문연의 K-코스모스(K-COSMOS) 사업을 통해 이번 연구를 이어갈 계획이다.
임병안 기자