암흑물질 별 발견했을지 모른다?

암흑물질(dark matter)은 우주 질량 805를 차지하고 있는 수수께끼 물질로 정체를 포함해 모든 게 수수께끼에 싸여 있다. 이전에 관측되고 있으면서도 블랙홀일 것이라고 알려진 천체가 실제로는 암흑물질 후보로 생긴 별이 아니냐는 주장을 담은 논문이 발표됐다.

문제의 별은 유럽우주기관 ESA 가이아 위성이 관측한 특이한 별계에 있다. 이 별계에 있는 항성은 무게가 태양보다 조금 가벼운 0.93 태양 질량으로 구성하는 물질도 태양과 거의 같다는 전형적인 G형 왜성이다. 하지만 이 별에는 질량이 10배나 되는 수수께끼 반성이 있었다. 항성과 반성 사이 거리는 단지 태양과 화성만큼 1.4천문단위로 188일마다 공전하고 있다. 천문학자 대부분은 수수께끼 반성이 전혀 방사선을 발하지 않는 암흑의 별이라는 점에서 천체 정체는 블랙홀이라고 생각하고 있으며 이 별계는 블랙홀 주위를 항성이 주회하는 단순 사례가 될 것이라는 사실이 대부분 견해였다.

하지만 이 설에는 괴상한 점이 있다. 블랙홀은 거대한 별이 죽을 수 있기 때문에 문제의 별게를 만들려면 태양과 같은 별과 이보다 더 거대한 별이 동시에 탄생해야 한다는 점이다. 이론상 절대 있을 수 없다는 건 아니지만 이런 천체끼리 수백만 년에 걸쳐 서로 궤도를 계속 유지한다는 시나리오를 실현하기 위해선 탁월한 미조정이 필요하기 때문에 다른 가능성을 고려해야 한다고 주장한다.

지난 4월 18일 아카이브에 발표된 논문에서 연구팀은 수수께끼 천체가 실제로는 암흑물질 덩어리일지 모른다는 이론을 밝혔다. 암흑물질은 은하 질량 대부분을 차지하는 눈에 보이지 않는 물질로 정체는 아직 알 수 없다. 많은 이론 모델에선 암흑물질이 은하에 균등하게 분포되어 있다고 하지만 암흑물질이 모여 덩어리가 된다는 모델도 있다.

이런 설 중 하나는 암흑물질은 새로운 종류 보존(boson)이라는 가설이다. 보존은 자연계 힘을 담당하는 입자로 예를 들어 광자는 전자기력을 담당하는 보존이다. 소립자 물리학 표준 모델로 알려진 보존은 한정되어 있지만 원리적으론 더 많은 종류 보존이 우주에 존재하는 것도 있을 수 있다고 한다.

만일 보존 암흑물질이 있다면 이게 모여 큰 덩어리를 형성하고 한 별계 정도 크기가 되는 경우도 있고 일반적인 천체 크기가 될 수도 있다. 이런 천체는 방사선을 전혀 방출하지 않기 때문에 관측자에게는 블랙홀처럼 보인다. 또 눈에 보이지 않기 때문에 관측하려면 블랙홀과 마찬가지로 다른 천체와의 상호 작용을 단서로 할 수밖에 없다.

연구자에 따르면 보존 암흑물질 존재를 가정해 문제의 별계에 있는 블랙홀다운 천체를 보존 별로 옮겨놓으면 관측 데이터 모두를 설명할 수 있다고 한다. 사실 이번 발표로 보존 별이 발견됐을 가능성은 결코 높지 않지만 연구팀은 추가 관측 필요성을 강하게 주장하고 있다. 수수께끼 천체 정체가 보존 별이 아니더라도 항성이 콤팩트하고 고밀도인 물체 주위를 돌고 있는 건 사실이기 때문에 추가 조사로 아인슈타인 일반 상대성 이론에 대한 이해가 더 깊어질 수 있기 때문이다. 또 만일 보존 별이라면 이런 이국적인 천체의 완벽한 모델이 되기 때문에 암흑물질 정체 해명으로 이어질 것도 기대할 수 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.