암흑물질은 우주에 있는 질량의 대부분을 차지하고 있다고 생각되고 있으며, 은하의 회전과 우주의 대규모 구조 등 그 존재를 나타내는 증거가 발견되었음에도 불구하고 아직 정체는 알 수 없습니다. 그런 암흑물질이 실은 1종류가 아니고 다양한 원소로 만들어진 통상의 물질처럼 종류가 있을 것이라는 연구가 발표되었습니다.
[2310.08526] Recycled Dark Matter
https://arxiv.org/abs/2310.08526
Dark matter may have its own 'invisible' periodic table of elements | Live Science
https://www.livescience.com/space/cosmology/dark-matter-may-have-its-own-invisible-periodic-table-of-elements
Dark matter may have its own 'invisible' periodic table of elements
Dark matter may come in multiple particles and weights, similar to the ordinary elements on the periodic table, a new theory suggests.
www.livescience.com
지금까지의 연구에서 암흑물질은 일반적인 물질과 거의 상호작용하지 않으며 우주에 보편적으로 존재하는 가볍고 단순한 종류의 입자라고 생각되어 왔지만, 그러한 새로운 입자를 찾기 위한 노력은 결실을 맺지 못하고 있습니다. 이에 과학자들은 암흑물질이 희귀한 대신 더 무거운 것일 가능성을 생각하기 시작했지만 초기 우주에 그러한 무거운 입자를 충분히 존재시키는 모델은 확립되지 않았습니다.
2023년 10월에 프리프린트 서버의 arXiv에서 공개한 논문에서 오클라호마대학 물리천문학과의 토마스·C·게르만 씨 연구팀은 원시 블랙홀이 존재했다는 가설을 바탕으로 빅뱅 직후 우주에서 암흑물질 입자의 생성을 가능하게 하는 이론을 발표했습니다.
연구자들에 따르면 초기 우주에서는 자연계의 힘이 서로 분열하여 '통일력'에서 현재의 '4가지의 기본적인 힘'으로 변화함에 따라 격렬한 상전이가 일어났다는 것. 이 상전이는 기초가 되는 물리학이 변화할 정도로 압도적인 것이었습니다. 실제로 입자가속기를 이용해 빅뱅으로부터 몇 초 후의 우주를 재현한 실험에 의해 4개의 기본적인 힘의 하나인 전자기력과 약한 핵력이 하나로 융합하는 것이 확인되었습니다.
게일만 씨는 연구에서 이러한 초기 상전이 중에 무거운 암흑물질이 잡힐 수 있음을 발견했습니다. 그렇게 되면 우주의 일부가 새로운 물리학으로 이행하는 한편 아직 이행하고 있지 않은 영역도 남는 상태가 발생합니다. 마치 물을 끓이면 액체의 물에 수증기의 거품이 갇혀있는 상태입니다.
이 모델에서 초기 암흑물질은 가볍고 그 후 태어난 암흑물질은 무거워집니다. 그리고 거품 속에 갇힌 암흑물질의 밀도가 급상승하고 모든 암흑물질이 붕괴되어 원시 블랙홀이 됩니다. 이렇게 태어난 블랙홀은 호킹 방사에 의해 증발하는데 그 때 일부 암흑물질이 토해져 부활한다고 게르만 씨는 추정했습니다.
다음은 연구팀이 제창하는 우주와 암흑물질의 성립을 나타낸 그림입니다. 가장 왼쪽의 초기 우주에서는 무거운 암흑물질이 가득 찬 진정한 진공거품이 형성됩니다(True vacuum DM heavy). 그리고 그 후 원시 블랙홀(PBH)로부터의 호킹 방사에 의해 아주 무거운 암흑물질(UHDM)이 방출됩니다. 이렇게 해서 현재 우주에 차가운 UHDM이 남았다는 것이 게일만 씨 연구팀의 가설입니다.
블랙홀이 증발하면 여러 종류의 암흑물질 입자가 생성됩니다. 이 입자들은 눈에 보이지 않는 많은 특징을 공유하는데 질량과 속도, 정상 물질과의 상호작용 등이 다릅니다. 따라서 이 모델은 보통 물질에 원소주기율표가 있는 것처럼 암흑물질에도 여러 종류의 입자가 있어서 우주의 곳곳에서 보이지 않는 복잡한 상호작용을 일으키고 있는 것을 시사합니다.
이 이론은 아직 가설적인 개념이기 때문에 실험이나 관측에 의해 뒷받침이 얻어지는 것은 아니지만 천문학자들은 빅뱅의 중력파를 관측하는 등 우주 시작의 시대를 직접 관측하는 방법을 모색하고 있습니다.
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