암흑물질의 정체는 블랙홀?

by AlexAntropov86 / https://pixabay.com/ja/illustrations/blackhole-%E9%BB%92-%E7%A9%B4-6281865/

2015년 9월 14일 세계 최초로 중력파 관측에 미국 중력파 관측장치 'LIGO(라이고)'가 성공했다. 중력파는 그 투과성으로 우주 탄생 직후의 관측이 가능하게 된다고 생각되고 있다. 중력파를 베이스로 우주 초기에 생긴 블랙홀이나 우주의 대부분을 차지하는 암흑물질의 정체 등 우주의 근원적인 수수께끼를 규명하기 위해 이론연구가 진행되고 있다.

중력파는 거대한 질량을 가진 천체 등의 운동에 의해 발생하는 시간과 공간의 왜곡, 즉 시공간의 왜곡이 광속으로 파동처럼 전파하는 현상이다. 아인슈타인의 일반상대성이론에서 예언되어 지금까지 간접적으로 확인되었지만 직접 관측은 이루어지지 않았다.

중력파는 매우 미약하여 1m 떨어진 2개의 물체가 있다면 10^-20m정도, 즉 양성자 크기의 10만 분의 1 정도밖에 흔들리지 않는다.

우주론의 연구자들은 옛 우주에서 오는 빛을 관측하여 우주의 초기를 보려고 시도해 왔다. 지금까지 우주의 모든 방향에서 거의 등방적으로 관측되는 '우주 마이크로파 배경복사'가 가장 우주의 초기를 볼 수 있는 빛이었다. 그러나 우주 탄생 직후는 아직 고온이어서 빛이 직진할 수 없었기 때문에 현재의 우리까지 빛은 닿지 않고 관측할 수 없다.

그러나 중력파는 어떤 곳도 지나가는 높은 투과성을 가지고 있기 때문에 강력한 우주 관측의 도구가 되어 우주 탄생 직후에 방출된 것이라도 우리에게 도착한다. 우주 탄생 직후에 방출된 중력파는 아직 발견되지 않았지만 LIGO에서의 관측 이후 이미 100개 이상의 중력파가 관측되고 있다. 앞으로 중력파 관측기술이 더욱 발전하면 우주 초기 중력파도 관측할 수 있어 우주의 수수께끼가 더욱 규명될 것으로 보인다.

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'현대 우주론'은 우주의 역사와 성립에 대한 물리학을 기반으로 연구하는 분야로, 우주의 기원과 성립에 대해서는 고대부터 사람들의 관심이었다.

우주는 영원한 것이라는 생각이 고대부터 지배적이었지만 1920년대에 우주는 옛날에 일어난 빅뱅(대폭발)에 의해 시작되었다는 설이 제창되었다. 더 먼 은하가 더 빨리 멀어지고 있는 것이 관측되고 우주는 팽창을 계속하고 있다는 것이다. 이론적으로도 일반상대성이론에 의해 우주 전체가 팽창하고 있다는 것이 증명되었고 빅뱅이론의 확실성이 인정되게 되었다. 그 후의 연구에 의해 빅뱅이 일어난 것은 138억 년 전이라고 추정되고 있다.

탄생한 우주에 있는 별과 은하의 형성을 설명하는 '인플레이션 이론'에 따르면 우주는 탄생 직후 10^-35초라는 짧은 시간 동안 고온 고밀도 에너지상태에서 빠르게 팽창했다. 우주의 여러 장소를 관찰하면 이상하게도 구조가 모두 같다는 것을 알았다. 그 이유로 우주는 같은 기원을 가진 한 곳에서 발생하여 급격히 팽창했다는 이론에 도달한다.

양자역학을 적용하면 탄생 직후의 상태에서도 우주공간은 항상 요동쳤고 에너지 밀도의 불균일이 존재했다. 그 밀도가 짙은 곳에는 중력에 의해 주위의 물질이 모여 점점 밀도가 짙어지고 밀도가 얇은 곳은 점점 밀도가 얇아지면서 밀도의 농담이 커져 갔다고 생각되고 있다. 그로 인해 별과 은하가 생겼다.

현대 우주론은 지난 수십 년 동안 급속히 발전하고 있다. 이론적인 발전과 함께 중력파의 관측에 의해 새롭게 밝혀지는 것이 늘어남에 따라 차례차례로 새로운 의문도 나오고 있다. 인플레이션 이론도 아직 밝혀지지 않은 것이 많이 있다.

또 별이나 은하와 같은 물질은 우주 전체의 불과 4.9%이며 그 이외는 암흑물질이나 암흑에너지라고 불리며 실태가 밝혀지지 않았다. 이러한 정체를 탐구하는 것은 폭넓은 분야에 관련된 매우 중요한 과제다.

LIGO에 의해 관측된 중력파는 두 개의 블랙홀이 연성을 만들고 합체했을 때 방출된 중력파인 것으로 나타났다. 그러나 이러한 블랙홀의 기원은 알 수 없다. 모두 태양의 36배와 29배라는 큰 질량을 가지는 것이며, 태양의 수십 배의 질량을 가진 블랙홀은 우주에는 거의 존재하지 않는다고 생각되었기 때문에 이것들이 원시 블랙홀일 가능성이 조사되고 있다.

중력파를 일으킨 블랙홀 합체 / Courtesy Caltech/MIT/LIGO Laboratory

별이 붕괴 등으로 생기는 블랙홀과 달리 원시 블랙홀은 우주 탄생 직후에 생겼다고 생각되는 블랙홀이다. 에너지 밀도가 특히 높은 영역에서 중력에 의한 수축이 일어나고 있다고 생각되고 있다. 이론적으로는 이러한 블랙홀이 존재할 수 있음을 알고 있으며, 지금까지 다양한 방법에 의한 탐사가 이루어져 왔지만 결정적인 존재 증거는 발견되지 않았다. 그 존재가 확인되면 인플레이션 이론에 대한 이해가 더욱 깊어질 것으로 기대된다.

중력파가 첫 관측되기 전에는 별이 일생을 끝내고 블랙홀이 되었다고 해도 태양의 약 30배의 질량을 가지는 무거운 블랙홀이 될 수 없을 것이라고 보았다 했다. 그러나 관측결과를 계산한 결과 실은 가능하다는 것을 알았다. 그 때문에 LIGO에서 관측된 블랙홀이 원시 블랙홀인지 일생을 끝낸 별의 블랙홀인지 불분명하다.

한편으로 원시 블랙홀은 암흑물질의 후보 중 하나로 보고 있다. 암흑물질이란 우주에 있는 물질로, 대량으로 존재하지만 볼 수 없기 때문에 정체는 알 수 없다. 미지의 소립자와 원시 블랙홀일 가능성이 생각되고 있다.

2015년 중력파 관측에서 발견된 블랙홀이 원시 블랙홀이었을 경우 암흑물질을 설명할 수 있는지 여부가 논점이 되었다. 암흑물질이 미치는 중력의 강도의 측정으로부터 우주에 존재하는 암흑물질의 전체 질량은 알고 있으므로 중력파 관측에서 발견된 블랙홀과 비교해 질량이 큰 원시 블랙홀이 암흑물질일 가능성을 검토했다. 그 결과 이러한 질량의 큰 원시 블랙홀은 암흑물질의 0.1%에 지나지 않고 암흑물질의 주요 성분이 되지 않는다는 것이었다. 만약 이것보다 많은 원시 블랙홀이 있었다면 중력파 관측으로 보이는 것 이상의 빈도로 합체가 일어날 것이기 때문이다.

한편 10^20 ~ 10^22그램의 가벼운 원시 블랙홀이 암흑물질일 가능성은 남아 있다. 따라서 현재 가벼운 원시 블랙홀이 암흑물질의 주요 성분인지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

중력파의 관측에 의해서 처음으로 암흑물질은 적어도 태양 등 항성질량의 블랙홀이 아니라는 것을 알았다는 것을 알게 되었고 중력파 관측의 가능성을 재인식했다. 현재는 암흑물질의 정체를 중력파를 사용하여 밝히기 위해 노력하고 있다.

암흑물질은 우리은하에 많이 존재하지만 어떻게 분포되어 있는지는 알 수 없다. 암흑물질이 원시 블랙홀이 아니라면 미지의 소립자일 것이다. 그 경우 소립자의 질량이 포인트가 된다. 어느 정도 가볍다면 암흑물질은 날 수 있기 때문에 공간 안에 골고루 분포되어 있을 것이다. 반대로 무거우면 몇 가지 덩어리로 분포해야 한다.

따라서 우리은하에서 암흑물질의 분포를 알면 암흑물질을 구성하는 물질의 성질을 알 수 있다. 그리고 중력파를 사용하면 암흑물이 어떻게 분포하고 있는지 알 수 있을 것이다.

구체적으로는 먼 곳에서 중력파가 왔을 때 암흑물질의 분포에 불균일이 있으면 암흑물질이 만드는 중력에 의해 중력파의 파면이 조금 요동칠 것이다. 이러한 현상을 '중력렌즈 효과'라고 한다. 그 중력파를 관측하여 암흑물질의 분포를 알 수 있을 것이다.

현재의 관측 레벨에서는 불행히도 암흑물질의 중력렌즈 효과의 관측은 할 수 없다. 더 감도 좋은 차세대 중력파 검출기가 필요하다. 가동 중력파 검출기는 2세대이며 미국과 유럽은 3세대 중력파 검출기를 개발 중이다. 10~20년 후의 완성이 예정되어 있다. 이에 따라 암흑물질의 중력렌즈 효과의 관측도 기대할 수 있다.

또한 유럽과 중국은 중력파 검출기를 우주로 발사할 계획이다. 이유는 지상의 중력파 검출기의 타겟은 10Hz~1,000Hz의 중력파로, 10Hz보다 저주파의 중력파의 관측은 지면의 진동 때문에 어렵기 때문이다. 그래서 지면 진동이 없는 우주공간에서 mHz라는 저주파 중력파를 관측하자는 것이다. 질량이 큰 블랙홀이 연성 합체하면 저주파 중력파를 내기 때문에 저주파 중력파는 우주물리학에서 매우 중요하다.

현재는 중력파의 중력렌즈 효과에 관한 이론연구가 중심인데, 최근 LIGO의 연구자와 공동으로 관측 데이터를 사용하면서 중력파의 중력렌즈 효과에 관한 파형의 연구를 시작하고 있다. 데이터 해석의 연구자와도 협력하면서 중력파의 중력렌즈 효과를 발견하는 것이 향후의 목표이다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- ダークマターの正体はブラックホールか？
https://www.titech.ac.jp/public-relations/research/stories/next09-suyama