암흑물질(Dark Matter)은 우주에 있는 질량 대부분을 차지하고 있다고 생각되고 있으며 은하 회전에서 우주 대규모 구조에 이르는 곳까지 존재를 나타내는 증거가 발견되고 있음에도 아직 정체는 알 수 없다. 이런 암흑물질이 실은 1종류가 아니라 다양한 원소로 만들어진 통상 물질처럼 종류가 있는 건 아닐까 지적하는 연구가 발표됐다.
지금까지 연구에서 암흑물질은 일반 물질과 거의 상호 작용하지 않으며 우주에 보편적으로 존재하는 가볍고 간단한 한 종류 입자로 생각되어 왔다. 하지만 새로운 입자를 찾기 위한 탐구는 쉽지 않았고 과학자는 암흑물질이 희귀한 대신 더 무거운 건 아닐까 생각하기 시작했지만 초기 우주에 이런 무거운 입자를 충분히 존재시키는 모델은 확립되지 않았다.
2023년 10월 아카이브에 공개된 논문에서 미국 오클라호마대 연구팀은 원시 블랙홀이 존재했다는 가설을 바탕으로 빅뱅 직후 우주에서 암흑물질 입자 생성을 가능하게 하는 이론을 발표했다.
연구자에 따르면 초기 우주에선 자연계 힘이 서로 분열해 통일력에서 현재 4가지 기본적으로 힘으로 변화하면서 격렬한 상전이가 일어났다고 한다. 이 상전이는 기초가 되는 물리학이 변화할 만큼 압도적인 것이었다. 입자가속기를 이용해 빅뱅으로부터 몇 초 뒤 우주를 재현한 실험에 의해 4가지 기본적인 힘 중 하나인 전자기력과 약한 핵력이 하나에 융합되는 게 확인됐다.
연구에선 이런 초기 상전이 중 무거운 암흑물질이 잡힐 수 있다는 걸 발견했다. 이렇게 되면 우주 일부가 새로운 물리학으로 이행하는 한편 아직 이행하고 있지 않은 영역도 남는 상태가 발생한다. 이는 단지 물을 끓이면 액체 물에 수증기 거품이 갇혀 있는 상태와 같다.
이 모델에서 초기 암흑물질은 가볍고 이후 태어난 암흑물질은 무거워진다. 그리고 거품 속에 갇힌 암흑물질 밀도가 급상승하고 모든 암흑물질이 붕괴되어 원시 블랙홀이 된다. 이렇게 태어난 블랙홀은 호킹 방사에 의해 증박하지만 이 때 일부 암흑물질이 토해져 부활한다는 설명이다.
정리하면 먼저 가장 초기 우주에선 무거운 암흑물질이 막힌 진정한 진공 거품이 형성된다. 이후 원시 블랙홀로부터 호킹 방사에 의해 초중 암흑물질이 방출된다. 이렇게 해서 현재 우주에 차가운 초중 암흑물질이 남았다는 가설이다.
블랙홀이 증발하면 여러 종류 암흑물질 입자가 생성된다 이 입자는 눈에 보이지 않는 많은 특징을 공유하지만 질량과 속도, 정상 물질과의 상호 작용 등이 다르다. 따라서 이 모델은 보통 물질에 원소주기율표가 있는 것처럼 암흑물질에도 여러 종류 입자가 있어 우주 곳곳에서 보이지 않는 복잡한 상호작용을 일으키고 있는 걸 시사한다.
이 이론은 아직 가설적 개념이기 때문에 실험이나 관측에 의해 뒷받침을 받는 게 먼저지만 천문학자는 빅뱅 중력파를 관측해 우주 시작 시대를 직접 관측하는 방법을 모색하고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.