여기 스피처 우주 망원경의 이미지에 보이는 은하수의 중심은 암흑 물질의 증거가 될 수 있는 흥미로운 감마선 신호의 원천입니다.
NASA/JPL-Caltech
다시 한번, 과학자들이 암흑 물질에 대한 결정적인 증거로 증폭되기를 바랐던 신호의 그림자가 그 대신 단조로워졌고, 보이지 않는 편재하는 입자를 찾는 데 있어서 미친 듯이 자제하는 일이 반복되었습니다.
페르미 대면적 망원경(LAT)이 은하수를 공전하는 소형 왜소은하의 암흑물질이 소멸되면서 방출되는 감마선의 빛을 감지하지 못했다고 과학자들이 금요일 일본 나고야에서 열린 회의에서 보고했습니다. 이러한 반짝임의 힌트는 작년 페르미 분석에서 나타났지만, 더 많은 데이터가 축적되면서 통계적 충돌은 사라졌습니다.
Fermi-LAT 공동작업의 새로운 분석에 핵심적으로 참여했던 스탠포드 대학의 박사후 연구원인 매튜 우드(Matthew Wood)는 "우리는 신호를 보지 못해서 다소 실망했습니다."라고 이메일에서 말했습니다.
일리노이 주 바타비아에 있는 페르미 국립 가속기 연구소의 이론 천체물리학자인 댄 후퍼와 당시 그의 대학원생이었던 리사 구디너프가 2009년에 은하 중심에서 오는 설명할 수 없는 감마선 신호를 감지한 이후 과학자들은 왜소 은하에 주목했습니다. 후퍼와 몇몇 공동 연구자들은 감마선이 WIMP 형태의 암흑 물질로 인해 발생하거나 약하게 발생했을 수 있다고 제안했습니다. 우주 질량의 7분의 6을 구성하는 보이지 않는 물질의 주요 후보인 상호 작용하는 거대한 입자입니다. 두 개의 WIMP가 밀집된 은하 중심에서 충돌하면 감마선이 낙진으로 소멸되어야 합니다. 지난 5년 동안 흥미로운 감마선 신호는 WIMP를 절멸시키는 잔해가 될 가능성이 점점 더 커졌습니다.
그러나 과학자들은 동일한 빛이 은하 중심에 있는 알려지지 않은 밀리초 펄서, 즉 감마선을 우주로 방출하는 밝고 빠르게 회전하는 별에서 유래할 수도 있다는 것을 알고 있었습니다.
두 가지 가능성을 구별할 방법을 찾기 위해 과학자들은 암흑 물질이 풍부하지만 펄서가 없는 것으로 생각되는 왜소 은하로 눈을 돌렸습니다. 연구자들이 왜소은하에서 쏟아져 나오는 감마선을 발견한다면, 그 관찰은 다른 설명을 배제하고 WIMP에 대한 확실한 증거를 제공할 것입니다.
그러나 Wood와 그의 동료들은 근처에 있는 15개의 왜성으로부터 얻은 최고 품질의 데이터를 5년 동안 수집한 결과 그러한 신호가 발견되지 않았다고 보고했습니다. “왜소은하는 은하 중심의 신호를 확실하게 확인할 수 있는 몇 안 되는 표적 중 하나입니다.”라고 우드는 말했습니다. "이런 확인이 없으면 은하 중심 초과에 대한 암흑 물질 해석의 근거는 실질적으로 약화됩니다."
은하계 중심의 신호가 암흑 물질에서 나올 가능성은 여전히 남아 있지만, 이는 은하계의 암흑 물질 밀도가 연구자들의 추정치 중 가장 높은 수준에 있는 경우에만 가능합니다. 암흑 물질의 밀도가 충분히 높으면 은하 중심의 신호를 설명하기 위해 매우 빠른 속도로 소멸될 필요는 없습니다. 그리고 암흑 물질이 낮은 속도로 소멸한다면 연구자들은 더 확산된 왜성에서 오는 신호를 볼 수 없다고 해서 놀라서는 안 됩니다.
“현 단계에서 우리는 보고된 과잉을 설명하기 위해 제안된 모든 암흑물질 모델을 완전히 배제하지는 않습니다.”라고 우드는 말했습니다.
새로운 왜소은하 발견의 타격에서 간신히 살아남은 모델을 갖고 있는 후퍼는 당황하지 않은 것처럼 보이며, 은하 중심에서 오는 신호는 감마선의 퍼프 속에서 사라지는 충돌하는 WIMP에서 나올 가능성이 가장 높다는 자신의 입장을 유지합니다. 그는 지난 3월 Quanta Magazine과의 인터뷰에서 "거기가 바로 내 돈이 있는 곳"이라고 말했습니다. 그는 일본 회의에서 “그 점은 크게 변하지 않았다”고 말했다.
다른 과학자들은 감마선 과잉에 대한 암흑물질 설명이 현재로서는 여전히 실행 가능하다는 데 동의합니다. 브라운 대학의 물리학자이자 왜소성 감마선에 대한 또 다른 최근 분석의 공동 저자인 Savvas Koushiappas는 "그것이 바로 그것이다"고 말했습니다. "암흑물질 해석이 있는데, 현재 드워프들은 이를 배제하거나 확인하지 않았습니다. 그러나 우리는 가깝습니다."
은하 중심 과잉 모델에 관해 후퍼와 협력해 온 매사추세츠 공과대학의 물리학자 트레이시 슬레이티어는 새로운 결과가 "정말 고무적"이라고 말했습니다.
“물론 나는 암흑 물질을 소멸함으로써 은하 중심의 과잉이 발생하기를 바라지만, 어느 쪽이든 알고 싶습니다.”라고 그녀는 말했습니다. “이 결과는 우리가 가까운 시일 내에 확실히 알게 될 확률을 높여줍니다.”
암흑 물질이 WIMP로 구성되어 있을 것이라는 패러다임은 "WIMP 기적", 즉 동일한 가상 입자가 우주 세계와 양자 세계 모두의 신비를 설명할 수 있다는 사실 때문에 물리학자들 사이에서 오랫동안 지배해 왔습니다. 자연에 알려진 많은 입자와 거의 동일한 질량을 가진 WIMP는 분명히 잘못된 계산이 작동하도록 만드는 방식으로 양자 방정식에서 해당 입자의 효과를 상쇄합니다. 그리고 은하 주변에 WIMP 후광이 존재한다는 것은 은하가 외곽에서 예상보다 빠르게 회전하는 이유를 설명할 수 있으며, 이는 암흑 물질이 존재한다는 가장 설득력 있고 간접적인 증거입니다.
하지만 WIMP가 심오한 질문에 대한 우아한 해결책을 제시한다고 해서 그것이 진짜라는 의미는 아닙니다. 과학자들은 WIMP가 액체를 통과할 때 때때로 에너지 흔적을 남기기를 희망하면서 지난 10년 동안 전 세계의 용도가 변경된 광산 샤프트의 지하 깊은 곳에 위치한 초냉각 액체 화학 통을 모니터링해 왔습니다. 그러나 검색 결과 단 하나의 설득력 있는 신호도 나오지 않았습니다.
실험이 점점 더 민감해짐에 따라 실행 가능한 모든 WIMP 모델의 추상 공간을 잠식하여 스위스 치즈처럼 보이게 만듭니다. 실망스러운 결과로 인해 연구자들은 더욱 창의력을 발휘하게 되었습니다. "많은 사람들이 WIMP 패러다임에 대해 열심히 연구하고 있음에도 불구하고 사람들은 더 광범위하게 생각하기 시작했습니다."라고 펜실베니아 대학의 이론 물리학 교수인 마크 트로든(Mark Trodden)이 말했습니다.
왜소은하는 이미 표준 WIMP 사진에 대한 대안을 제시해 왔습니다. 암흑물질 입자가 서로 상호작용할 수 있다면(기존의 WIMP 모델처럼 일반 물질과만 "약하게 상호작용"하는 대신) 충돌하면서 열을 전달하게 됩니다. 2000년에 동료 폴 스타인하트(Paul Steinhardt)와 함께 처음으로 자기 상호작용 암흑물질 시나리오를 제안한 프린스턴 대학의 천체물리학자 데이비드 스퍼겔(David Spergel)은 "열을 전달하면 중심의 밀도가 낮아진다"고 설명했습니다. 실제로 천문학자들은 왜소은하의 핵이 WIMP를 사용하는 은하 형성 시뮬레이션에서 예상했던 것보다 밀도가 낮다는 것을 관찰했습니다.
자기 상호 작용하는 암흑 물질은 과학자들 사이에서 점점 더 많은 관심을 끌고 있지만, 모든 사람이 현재 모델의 문제를 해결할 수 있는 새로운 특성을 가정하는 것을 편안하게 느끼는 것은 아닙니다.
펜실베니아 대학의 이론 물리학자인 저스틴 쿠리(Justin Khoury)는 "우리는 이 보이지 않는 입자를 점점 더 복잡하게 만들고 있습니다."라고 말했습니다. “그 점 때문에 마음이 아프네요.”
한편, Rutgers 대학의 Alyson Brooks와 동료들이 새롭게 개선한 시뮬레이션에서는 시뮬레이션에 일반 입자의 효과가 포함되어 있다면 결국 암흑 물질 자체 상호 작용 없이 왜소 은하를 올바르게 모델링할 수 있다고 제안합니다. 이는 우리가 실제로 보는 모든 물질의 7분의 1이지만 모델은 단순성을 위해 종종 무시하는 입자입니다. 별이 초신성이 될 때, 빠르게 팽창하는 뜨거운 가스 거품이 생성된다고 Brooks는 설명했습니다. “이 과정은 은하계 중심에 있는 암흑물질에 에너지를 주고 밀어내는 것으로 밝혀졌습니다.”라고 그녀는 말했습니다.
브룩스의 시뮬레이션은 관측치와 일치하지만 일부 다른 주요 모델러들은 자체 시뮬레이션에서 불일치를 수정하기 위한 일반 물질의 효과를 얻을 수 없어 자체 상호작용하는 암흑 물질에 대한 관심을 불러일으킵니다.
논쟁을 복잡하게 만드는 것은 암흑 물질 입자가 자체 상호 작용을 한다면 감마선 폭발과 접촉해도 소멸되지 않는다는 사실입니다. 그렇다면 은하계 중심에서 나오는 신호는 암흑물질에서 나오는 것이 아닙니다.
“이 모든 것이 생생하고 모순되고 혼란스럽게 들린다면 올바른 생각을 갖고 계신 것입니다.”라고 Steinhardt는 말했습니다.
Khoury는 암흑 물질이 전혀 입자로 구성되지 않을 수 있다고 가정하는 최근 논문을 통해 WIMP 사진에서 가장 멀리 나아갔습니다. 그의 이론은 중력 법칙의 변화를 제안하는 수정된 뉴턴 역학(MOND)이라는 오래된 아이디어를 개편했습니다. Khoury의 이론에서 암흑 물질은 공간에 스며들어 회전을 변경하는 방식으로 은하의 중력장과 상호 작용하는 유체와 같은 장입니다.
네덜란드 암스테르담 대학의 이론 물리학자인 에릭 벌린데(Erik Verlinde)는 암흑 물질이 전혀 존재하지 않으며 은하의 회전 속도가 공간과 시간의 엔트로피 또는 무질서를 반영한다는 다른 수정 중력 이론을 제안했습니다.
이 단계에서는 한 이론가의 추측이 다른 이론가의 추측만큼 좋은 것 같습니다.
“암흑 물질에는 아주 많은 것들이 있을 수 있습니다.”라고 Trodden은 말했습니다. "나에게 암흑 물질을 제공할 수 있는 입자 물리학[모델]을 기록할 수 있는 권한을 주면 이전에는 생각하지 못했던 10가지를 기록할 수 있습니다." 어느 것이 가장 유망한지에 대해서는 우주가 말해주지 않습니다.
정정:이 기사는 은하 중심 감마선 과잉에 대한 암흑 물질 해석 상태에 대한 Matthew Wood의 전체 인용문을 제시하기 위해 2014년 10월 26일에 수정되었습니다. 원래의 단축 인용문은 Wood가 의도한 의미를 정확하게 전달하지 못했습니다.
이 기사는 NationalGeographic.com에 재인쇄되었습니다.
