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암흑물질 거의 없는 은하 첫 발견… 우주론 뒤집을까

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2018년 03월 30일 09:30 프린트하기

美-獨 공동연구진, ‘네이처’ 발표

암흑물질 예상보다 400배 적어”

 

미국 하와이에 위치한 제미니천문대 북부 본부. 최근 국제 공동 연구진은 제미니천문대와 W. M. 켁 천문대, 허블 우주망원경 등에서 얻은 데이터를 종합해 암흑물질이 부족한 은하를 처음 발견했다. - 제미니천문대 제공
미국 하와이에 위치한 제미니천문대 북부 본부. 최근 국제 공동 연구진은 제미니천문대와 W. M. 켁 천문대, 허블 우주망원경 등에서 얻은 데이터를 종합해 암흑물질이 부족한 은하를 처음 발견했다. - 제미니천문대 제공

우리가 아는 물질은 전체 우주의 4%에 불과하다. 나머지 96%는 눈에 보이지 않는 암흑물질과 암흑에너지로 이뤄져 있다. 은하는 별, 가스 같은 물질의 질량보다 암흑물질이 평균 30배 많다. 은하의 질량이 커지거나 작아지면 암흑물질의 비중은 더 높아진다.

 

이런 가운데 최근 암흑물질이 거의 없는 은하가 처음 발견됐다.
 
파이터 도쿰 미국 예일대 교수팀은 독일 막스플랑크천문학연구소, 미국 캘리포니아대 천문대 등과 함께 태양계에서 6500만 광년 떨어진 은하 ‘NGC 1052-DF2’에 암흑물질이 예상보다 400배 적은 것으로 나타났다고 국제학술지 ‘네이처’ 29일자에 발표했다.

 

아직 실체가 밝혀지지 않은 암흑물질은 은하의 빠른 회전속도나 충돌 등 물질의 질량만으로는 설명되지 않는 현상을 설명하기 위해 도입된 개념이다. 즉, 은하의 운동은 물질(별)과 ‘질량이 있지만 관측되지 않는 물질(암흑물질)’의 질량을 더한 총 질량으로만 설명이 가능했다. 

 

은하의 외곽 헤일로를 채우고 있는 암흑물질은 은하를 이루는 별과 성단 등을 만들어내는 원천으로도 알려져 있다. 오세헌 한국천문연구원 선임연구원은 “은하가 질량 대비 얼마나 많은 별을 생성하는지는 은하의 탄생과 진화를 연구하는 학계의 최대 관심사다. 은하의 총 질량 대비 별의 질량을 연구하는 이유”라고 설명했다.
 

‘NGC 1052-DF2’ 은하(왼쪽)를 구성하는 구상성단 중 하나의 시선속도를 분석한 결과(오른쪽). 이 은하는 비슷한 조건의 다른 은하에 비해 암흑물질이 400배 부족한 반면 은하를 구성하는 구상성단의 크기는 2배 큰 독특한 은하다. - 네이처 제공
‘NGC 1052-DF2’ 은하(왼쪽)를 구성하는 구상성단 중 하나의 시선속도를 분석한 결과(오른쪽). 이 은하는 비슷한 조건의 다른 은하에 비해 암흑물질이 400배 부족한 반면 은하를 구성하는 구상성단의 크기는 2배 큰 독특한 은하다. - 네이처 제공

NGC 1052-DF2 은하는 2015년 처음 발견될 당시에는 암흑물질이 많은 ‘초분산 은하(UDG)’로 분류됐다. UDG는 큰 부피에 비해 빛이 희미한 은하로, 암흑물질이 물질인 별보다 수백 배가량 많은 것으로 알려져 있다. 기존 예측대로라면 별의 질량이 태양의 2억 배인 NGC 1052-DF2의 암흑물질은 태양 질량의 560억 배 이상이 돼야 한다.
 
그러나 실제 분석 결과는 정반대였다. 은하 내부의 구상성단으로 추정되는 천체 10개의 시선속도를 분석한 결과, NGC 1052-DF2의 총 질량은 태양의 3억4000만 배 이하로 나타났다. 여기서 별의 질량을 제외하면 암흑물질은 태양의 1억4000만 배가 된다. 즉, 암흑물질이 물질보다 오히려 더 적다는 뜻이다. 오 연구원은 “연구 결과에 따르면 NGC 1052-DF2 은하는 부족한 암흑물질로 많은 별을 생성하는 셈이 된다”고 말했다. 

 

연구진은 은하를 생성하는 또 다른 메커니즘이 있을 것으로 분석했다. 파이터 교수는 “그동안 학계에서는 대부분 풍부한 암흑물질에 의해 은하가 형성된다고 믿어 왔다. 하지만 이번 연구 결과는 다른 방식으로 은하가 생성될 수 있다는 점을 보여 주는 단서”라고 주장했다. 연구진은 NGC 1052-DF2 은하가 은하그룹 NGC 1052 중심에 있는 암흑물질이 많은 거대 타원은하에서 떨어져 나왔을 수 있다고 추정했다.
 
암흑물질이 부족한 은하를 발견했다고 해서 암흑물질이론이 흔들리는 것은 아니다. 오히려 그 반대로, 연구진의 주장이 맞다면 암흑물질의 존재를 부정하는 대안 이론들을 정면으로 반박하는 셈이 된다. 파이터 교수는 “일례로 암흑물질이 없다고 가정하는 수정뉴턴역학은 ‘암흑물질이 존재한다면 암흑물질이 부족한 은하도 존재해야 한다’고 주장해 왔다”며 “암흑물질이 부족한 은하를 발견했으니 수정뉴턴역학의 가정은 틀린 셈”이라고 주장했다.
 
다만 오 연구원은 “은하의 회전속도가 아닌 내부 천체의 시선속도로 총 질량을 추산한 것은 간접적인 방법이기 때문에 연구 결과의 신뢰도를 높일 후속 연구가 필요해 보인다”고 말했다.

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