초기 우주:암흑 물질 형성의 극한 조건

암흑물질은 우주 물질의 대부분(약 85%)을 구성하지만 빛을 방출하거나 망원경과 직접 상호작용하지 않습니다. 과학자들은 은하와 은하단에 대한 중력 효과로부터 그 존재를 추론합니다. 표준 우주론 모델은 오랫동안 '차가운' 암흑 물질을 선호해 왔습니다. 빠르게 움직이는 입자가 작은 밀도 변동을 완화하고 은하의 형태를 형성하는 것을 방해하기 때문입니다.

이제 새로운 연구에 따르면 눈에 보이는 것보다 더 많은 것이 있다는 사실이 밝혀졌습니다.

미네소타 쌍둥이 도시 대학과 파리-사클레 대학의 물리학자들은 암흑 물질이 빛의 속도에 가깝게 존재하기 시작했을 수 있다고 보고합니다. 그러나 그것은 여전히 ​​은하가 형성되는 데 필요한 느린 암흑물질처럼 행동하게 됩니다. Physical Review Letters에 게재된 연구 결과 , 빅뱅 직후 간과되었던 순간을 다시 살펴보고 우주론의 가장 오래된 논쟁 중 하나를 다시 시작하세요.

이번 연구의 주 저자이자 미네소타 대학 대학원생인 스티븐 헨리(Stephen Henrich)는 "암흑물질은 수수께끼로 유명하다. 우리가 암흑물질에 대해 알고 있는 몇 안 되는 것 중 하나는 차가워야 한다는 것"이라고 말했다.

"결과적으로 지난 40년 동안 대부분의 연구자들은 암흑 물질이 원시 우주에서 탄생할 때 차가워야 한다고 믿어 왔습니다. 우리의 최근 결과는 이것이 사실이 아니라는 것을 보여줍니다. 사실 암흑 물질은 탄생할 때 빨갛게 뜨거울 수 있지만 은하가 형성되기 시작하기 전에 식을 시간이 여전히 있습니다."

잊혀진 시대

새로운 연구는 우주 인플레이션 이후에 발생한 재가열(reheating)이라는 우주론의 짧고 잘 이해되지 않은 기간에 초점을 맞추고 있습니다. 인플레이션은 초기 우주를 급속히 팽창시켰지만, 인플레이션이 끝났을 때 그 에너지는 즉시 물질로 변하지 않았습니다. 대신, 우주가 계속 팽창하는 동안 그 에너지는 천천히 입자로 변했습니다.

이전 모델은 재가열이 거의 즉시 발생하여 복사가 우주를 지배하기 전에 뜨거운 입자가 식을 시간이 없다고 가정했습니다. 연구진은 이러한 가정을 완화함으로써 초상대론적 암흑 물질이 나중에 은하 형성과 호환될 만큼 충분한 에너지를 잃을 수 있다는 사실을 발견했습니다.

헨리히(Henrich)와 그의 동료들은 암흑물질이 재가열되는 동안 더 일찍 분리되면 어떤 일이 일어나는지 물었습니다. 그들은 이 과정을 초상대론적 동결이라고 부릅니다. 밝혀진 바에 따르면, 여전히 극도로 뜨거울 때 암흑 물질은 상호 작용을 멈추고, 우주가 팽창하면서 냉각되어 기존의 차가운 암흑 물질처럼 행동하게 됩니다.

메커니즘 자체는 이국적이지 않습니다. 이는 일반 중성미자가 약 100만 전자 볼트(섭씨 약 100억 도)의 온도에서 다른 입자와의 상호 작용을 중단하면서 여전히 광속에 가까운 속도로 움직일 때 초기 우주에서 분리되는 것과 동일한 과정입니다.

이번 연구의 공동 저자이자 미네소타 대학교 교수인 케이스 올리브(Keith Olive)는 성명에서 “가장 단순한 암흑물질 후보인 저질량 중성미자는 은하계 크기의 구조를 씨뿌리기 대신 전멸시킬 것이기 때문에 40여년 전에 배제됐다”고 말했다.

“뜨거운 빅뱅 우주가 생성될 때 비슷한 후보가 생성된다면 실제로 차가운 암흑물질로 작용할 정도로 냉각될 수 있다는 것은 놀라운 일입니다.”

이론 사이의 연결

이번 발견은 암흑물질 연구의 민감한 순간에 이루어졌습니다. 수년 동안 실험적 검색은 자연적으로 얼어붙는 약하게 상호 작용하는 거대한 입자인 WIMP에 중점을 두었습니다. WIMPS는 암흑 물질의 주요 후보로 간주되지만 광범위한 노력에도 불구하고 설득력 있는 신호는 나타나지 않았습니다.

미약하게 상호작용하는 거대한 입자와 같은 다른 아이디어는 일반 물질과 거의 상호작용하지 않음으로써 이러한 한계를 피합니다. 또한 감지하기가 매우 어렵습니다.

초상대론적 동결은 이러한 접근 방식 사이에 속합니다. 이 시나리오에서는 암흑 물질이 조기에 분리되지만 은하 관측 및 우주 마이크로파 배경과 여전히 호환됩니다.

연구진은 재가열하는 동안 현실적인 조건에서 수천 전자볼트보다 무거운 암흑물질 입자가 우주 구조가 형성되기 전에 충분히 느려질 것이라는 사실을 발견했습니다. 그 결과 과학자들이 이전에 배제했던 많은 입자 후보가 다시 등장했습니다.

이런 방식으로 형성된 암흑물질은 우주 자체의 재가열에 대한 정보를 전달할 수 있으며, 이는 다른 방법으로는 연구하기 어려운 우주의 한 단계입니다.

이번 연구의 공동 저자이자 파리-사클레 대학 물리학자인 얀 맘브리니(Yann Mambrini)는 “우리의 새로운 발견을 통해 우리는 우주 역사에서 빅뱅과 매우 가까운 시기에 접근할 수 있을 것입니다.”라고 말했습니다.