중성미자의 총량과 우주의 에너지 성분

by Guillermo Ferla / https://unsplash.com/photos/black-hole-galaxy-illustration-Oze6U2m1oYU

우주에 있는 물질과 에너지 중 가장 많은 것이 암흑에너지, 다음으로 많은 것이 암흑물질, 그 다음이 원자 등으로 이루어진 물질이다. 이것들의 존재비는 에너지 환산으로 나타낼 수 있으며 각각 69%, 26%, 5%가 된다.

물질에 속하는 중성미자의 총량은 다른 수치에 비해 큰 부정확성이 있으며 그 정확한 값은 잘 알려져 있지 않다.

우리에게 알려진 물질로서 원자로 만들어진 것 이외에 중성미자라는 입자가 있다. 질량이 가볍고 전기적으로 중성이며 3종류가 알려져 있다. 아니, 원자와는 '약한 힘' 밖에 작용하지 않는다.

태양 내부에서는 핵융합 반응이 일어나고 있으며 그 과정에서 중성미자가 대량으로 방출된다. 가끔 태양으로부터 온 중성미자가 원자와 반응하여 빛을 내고 그 존재를 알 수 있다. 초신성 폭발 때에도 대량의 중성미자가 발생하는데 일본의 카미오카 광산에 설치된 카미오칸데라는 장치에 의해 검출되었다.

우주 초기에도 원자핵반응이 빈번하게 일어났고 중성미자가 방출되거나 흡수되었다. 우주팽창으로 입자와 거의 충돌하지 않게 되면서 다른 물질 사이를 빠져나가면서 똑바로 진행하게 된다.

따라서 우주 초기에 대량으로 존재한 중성미자는 현재 우주에 그대로 남아 있다. 이론적으로 그 수는 계산할 수 있는데 각설탕의 크기 정도인 1입방센티미터당 340개 정도의 중성미자가 현재의 우주에 존재하고 있을 것이다. 이것을 "우주배경 중성미자"라고 부른다.

현재 우주에 존재하는 중성미자의 수밀도에 중성미자의 질량을 곱하면 중성미자가 우주의 에너지 성분에 차지하는 질량밀도를 알 수 있지만, 중성미자의 질량은 아직 정확한 값을 알 수 없어서 중성미자의 질량밀도에는 아직 부정확성이 있다.

중성미자는 3가지 종류가 있으며 각각 다른 질량을 가지고 있다는 것이 실험적으로 밝혀졌다. 그 상대적인 질량의 차이는 실험적으로 측정할 수 있지만 절대적인 질량의 값은 알지 못한다. 중성미자는 우리의 세계를 만들어내는 소립자의 하나여서 가장 기본적인 성질인 질량의 값을 결정하는 것은 물리학에서 중요한 문제가 된다.

중성미자의 질량이 어느 정도 크면 우주가 팽창하여 온도가 내려가면서 중성미자의 속도도 느려진다. 그리고 암흑물질과 마찬가지로 다른 입자와 상호작용을 거의 하지 않는 물질로서 행동하게 된다. 물질의 일부는 중성미자로 만들어지기 때문에, 그 양에 따라 중성미자는 우주의 대규모 구조의 형성을 좌우하게 된다.

특히 중성미자의 질량에 따라 우주의 대규모 구조의 형성이 저해될 수 있다. 왜냐하면 최초로 밀도가 짙은 장소에 있던 중성미자는 물질을 빠져나가면서 사방팔방으로 흩어져 가기 때문에 밀도의 변동을 작게 하는 효과가 있기 때문이다.

현재 아직 중성미자의 질량을 검출할 수 있을 정도로 정밀한 관측은 이루어지지 않았다. 그러나 현재 세계에서는 DESI(Dark Energy Spectroscopy Instrument), LSST(Large Synoptic Survey Telescope), Euclid 계획 등 대규모 은하 서베이와 약한 중력렌즈 서베이의 가동이 예정되어 있다. 질량에 유한치가 관측되는 날도 조만간 올 것이다.

덧붙여서 미국의 키트 피크 천문대에 있는 구경 4미터의 Mayall 망원경을 이용한 DESI 계획에서는 전천의 3분의 1이라는 넓은 천역으로 깊이 150억 광년까지의 범위에 있는 은하와 180억 광년부터 230억 광년 사이에 있는 퀘이사와 3000만 개의 적방편이 조사를 할 예정이다.

칠레에 8.4미터의 서베이 전용 망원경을 건설하는 LSST계획에서는 먼 곳에 있는 어두운 별과 은하를 370억 개나 관측한다. 편이라는 방법으로 은하까지의 거리를 근사적으로 추정한다. 이곳은 2022년부터 관측이 시작될 예정이다.

2021년 발사 예정인 Euclid 계획에서는 인공위성에 탑재되는 1.2미터의 서베이 전용 망원경을 사용해 6년간 전천의 3분의 1 이상의 천역에서 3500만 개의 은하 적색편이 서베이를 실시할 예정이다. 측광 서베이도 실시해 약 15억 개의 천체를 관측한다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 銀河ガス、ニュートリノ、ダークマター……これが宇宙の「エネルギー成分表」だ！
https://honsuki.jp/pickup/10496/index.html