차가운 암흑물질

연구를 하다 보면 우주의 구조형성을 일으키는 중력의 원천이 되는 대부분의 물질은 우리가 잘 알고 있는 물질을 구성하는 수소, 산소 및 탄소와 같은 일반적인 원소가 아니라 정체불명의 물질이라는 사실을 알 수 있습니다. 정체불명의 것이 존재한다고 알고 있다는 말은 매우 이상하게 받아들여지지만 암흑물질의 존재는 특수한 관측이나 이론으로부터 유도된 것이 아니라 다양한 관측결과로부터 공통으로 시사되고 있어 거의 사실이라고 할 수 있습니다.

◆ 근거가 되는 대표적인 관측 사실

· 은하의 회전속도가 별이 없는 외부영역에서도 크게 감소하지 않음
· 은하단 내의 구성은하의 속도분산이 매우 큰 점
· 많은 은하단에서 볼 수 있는 중력렌즈 현상
· 우주의 대규모 구조형성

이러한 모든 관측결과를 설명하기 위해서는 대량의 '눈에는 보이지 않지만 중력 상호작용을 하는 것'을 가져와야 합니다.

은하단과 관련된 암흑물질의 존재 증거로 중력렌즈 현상을 들 수 있습니다. 작은 원호에 밝은 부분이 많이 있는데 이 구성은하들은 거의 중앙을 감싸고 있습니다. 은하단에 있는 대량의 암흑물질이 '중력의 렌즈'가 되어 더 멀리 있는 은하의 형태를 바꾸어 버린 것입니다.

◆ 암흑물질 후보

암흑물질의 후보로서 다양한 것이 제안되어 있습니다.
　
· 알 수 없는 기본입자. 초대칭성 입자 뉴트랄리노나 액시온이라고 불리는 양자색역학으로 존재가 기대되는 입자.
· 우주 초기에 형성된 블랙홀
· 작고 어두운 천체

다만 우주에서의 바리온 물질(통상 원소)의 밀도는 매우 작기 때문에 어두운 천체가 암흑물질의 주요 요소일리 없다고 생각되고 있습니다. 또한 중성미자는 우주에 널리 존재하기 때문에 1980년대에는 암흑물질의 유력한 후보였지만 아래에 설명하는 바와 같이 우주의 구조형성의 관점에서 중성미자가 주요한 요소인 것은 부정됩니다.

◆ 암흑물질이 '차갑다'란 무슨 의미?

이상하게도 암흑물질의 정체는 알 수 없지만, 그 성질은 대략 알고 있습니다. 가장 기본적인 성질은 우주 초기에 상대론적이었는지, 암흑물질 입자의 속도분산(난잡한 움직임의 정도)에 의해 결정됩니다. 난잡한 움직임이 컸던 것은 '뜨거운 암흑물질'이라고 불리고 그렇지 않은 것은 '차가운 암흑물질'이라고 합니다. 예를 들어 중성미자는 전자이고 액시온과 뉴트랄리노는 후자의 대표후보입니다. 이 '뜨겁거나 차가운' 특성은 물질 분포의 매끄러움에 가장 두드러집니다. 왼쪽 하단의 그림은 '뜨거운 암흑물질' 모델에 기초한 우주의 대규모 구조의 형성 시뮬레이션이고 오른쪽 하단의 그림은 '차가운 암흑물질' 모델에 기초한 것입니다. 그리고 아래 그림은 실제로 관측된 우주의 구조를 보여줍니다. 일목요연하게 '차가운 암흑물질' 모델이 유력한 것은 곧 알 수 있습니다.

◆ 소멸하는 '밝은' 암흑물질

소립자물리학에서 가장 유력한 것으로 생각되는 차가운 암흑물질의 후보는 초대칭 입자 '뉴트랄리노'입니다. 뉴트랄리노는 특별한 성격을 가지고 있는데 뉴트랄리노 입자가 충돌하면 드물게 사라지고 고에너지 입자와 감마선으로 변할 것으로 예상됩니다. 우리의 은하계에서 그러한 일이 일어나고 있다면 감마선의 관측으로 암흑물질의 분포를 직접 볼 수 있을 것입니다. 아래 그림은 최근의 대규모 수치계산에 의해 얻은 은하에서의 암흑물질 대소멸에 의한 감마선 강도의 예상입니다. 은하 내에서는 암흑물질은 크고 작은 다양한 덩어리(부분구조)를 만들고 수천 개 이상의 덩어리(그림에서 밝은 부분)가 날아가고 있다고 생각됩니다. 은하 중심으로부터의 감마선은 현재 가동중의 Fermi 감마선 위성에서도 관측 가능하다고 생각되고 있어 암흑물질의 증거 발견이 기대되고 있습니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 冷たい暗黒物質
https://member.ipmu.jp/naoki.yoshida/darkmatter.html