새로운 물질 지도는 은하(색상)와 암흑물질(흰색 등고선)을 서로 연결한다. 출처: 디아나 스코냐밀리오(Diana Scognamiglio) 외, 저자 제공.

100여 년이 넘는 세월 동안 천문학자들은 은하를 꾸준히 연구하며 그 형태와 물리적 성질의 다양성을 점차 밝혀왔다. 관측 장비의 발전 덕분에 우리는 근거리 우주에서 수백만 개 은하의 위치를 지도화했다. 우주의 광대한 영역은 매우 텅 비어 있으며, 그 사이를 가로지르는 거대한 필라멘트가 은하들이 밀집한 영역들을 서로 연결한다. 중력의 영향 아래에서 은하들은 서로를 향해 끊임없이 끌려가며 이러한 거대 구조를 형성하고, 이 구조는 수십억 년에 걸친 우주 시간의 흐름 속에서 점점 성장한다.

1933년 프리츠 츠비키(Fritz Zwicky)가 코마 은하단(Coma cluster)을 연구하면서 우리 우주 이해에서 가장 신비로운 측면 가운데 하나를 드러냈다. 그는 코마 은하단의 질량 대부분을 보통 물질의 존재만으로는 설명할 수 없다는 사실을 밝혔다.

최신 우주론 연구들은 가스와 별이 우주 전체 질량의 약 6분의 1에 불과하다는 사실을 확인했다. 그렇다면 나머지는 무엇인가? 물리학자들은 이를 암흑물질이라 부르는 보이지 않는 물질로 설명한다. 이 암흑물질이 무엇으로 이루어졌는지, 보통 물질과 어떻게 상호작용하는지, 그리고 그 존재가 은하의 형성과 진화에 어떤 영향을 미치는지는 여전히 현대 물리학의 가장 큰 수수께끼로 남아 있다.

NASA 제트추진연구소(Jet Propulsion Laboratory)의 디아나 스코냐밀리오(Diana Scognamiglio)가 주도하고 Nature Astronomy에 게재한 우리 연구에서 우리는 암흑물질 분포의 상세 지도를 제시한다. 이 연구는 암흑물질의 본질에 대한 근본적인 질문에 직접 답하지는 못하지만, 우주 나이의 약 3분의 2에 해당하는 우주 시간 구간에 걸쳐 보통 물질과 암흑물질을 연결하는 강력한 도구를 제공한다.

우리의 새로운 지도는 특히 암흑물질과 가시 물질이 함께 진화한다는 사실을 보여준다.

이 발견을 어떻게 이뤄냈는가?

이번 연구에서 우리는 암흑물질의 존재를 밝히는 가장 강력한 방법 가운데 하나인 약한 중력렌즈 효과를 활용했다. 거대한 암흑물질 구조는 시공간을 변형한다. 그 뒤편에 있는 은하에서 오는 빛은 이 구조를 통과하면서 미세하게 휘어진다. 그 결과 배경 은하는 우리 망원경에 도달할 때 인위적으로 늘어난 형태로 보인다.

제임스 웹 우주망원경(James Webb Space Telescope)이 촬영한 다수의 영상을 분석해 우리는 중력렌즈 효과를 검출한다. 우리와 해당 은하 사이에 있는 거대 질량 천체가 배경 은하의 영상을 매우 미세하게 왜곡한다. 출처: 유럽우주국(ESA, 유럽우주국과 계약을 맺은 ATG의 기여), CC BY-SA

이 방법의 핵심은 데이터의 축적에 있다. 우리는 하늘의 작은 영역에서 매우 많은 은하를 관측해 배경 은하들의 형태가 일관되게 왜곡되는 현상을 검출하고, 이를 통해 전경 구조의 질량을 추정한다.

이러한 시공간 변형 지도를 구축하려면 많은 은하의 형태를 정밀하게 측정해야 한다.

2020년 발사에 앞서 시험 과정에서 촬영한 제임스 웹 우주망원경(James Webb Space Telescope)의 지름 6.5미터 주경이다. 거울이 매우 커서 로켓에 탑재하려고 접은 뒤 우주에서 다시 펼쳤다. 출처: NASA/Chris Gunn

제임스 웹 우주망원경으로 약 255시간에 걸쳐 관측을 수행해 이전보다 훨씬 넓은 영역(보름달 세 개에 해당하는 면적)을 전례 없는 은하 형태의 세부 정보와 함께 관측했다.

우리는 먼 거리의 은하 25만 개를 거리, 형태, 질량 측면에서 정밀 분석해 전경 암흑물질의 밀도를 측정하고, 이 하늘 영역에서 암흑물질 지도를 작성했다.

이 약한 중력렌즈 지도는 은하단, 필라멘트, 저밀도 영역 전반에 걸쳐 암흑물질과 밝은 물질을 모두 포함한 전체 물질의 투영 분포를 추적한다. 두드러진 피크는 거대한 질량을 지닌 은하단에 해당한다.

이 연구가 왜 중요한가?

우리 연구팀은 ‘코스모스(COSMOS)’라 불리는 이 하늘 영역을 20년 넘게 연구해왔다. 이번 암흑물질 지도를 축적해온 은하 및 고온 가스 자료와 비교해보면 암흑물질, 고온 가스, 은하가 종종 동일한 구조를 따라 분포한다는 사실을 확인한다.

다시 말해, 이 지도는 암흑물질과 가시 물질이 함께 진화한다는 사실을 보여준다.

또한 코스모스는 현재 은하 진화 연구의 기준 장으로 자리 잡았다. 이제 이 영역은 미래의 암흑 우주 지도들을 보정하고 비교하는 데 활용할 고해상도 기준점을 제공한다.

육분의자리(Sextantus)에 위치한 코스모스(COSMOS) 관측 영역이다. 출처: 유럽남방천문대(ESO), 국제천문연맹(IAU), Sky & Telescope, CC BY

이 연구의 다음 단계는 무엇인가?

다음 단계에서 우리는 유럽우주국(ESA)의 유클리드(Euclid) 임무와 NASA의 낸시 그레이스 로먼 우주망원경(Nancy-Grace-Roman Space Telescope)과 같은 임무를 활용해 훨씬 더 큰 우주 부피로 이 지도를 확장한다. 이들 망원경은 하늘의 최대 3분의 1을 관측할 예정이다. 모든 망원경은 코스모스를 보정 기준점으로 활용한다.

[출처] Une nouvelle carte de la matière noire

[번역] 하주영 

덧붙이는 말

올리비에 일베르(Olivier Ilbert)는 엑스마르세유 대학교(Aix-Marseille Université, AMU) 마르세유 천체물리학 연구소(Laboratoire d'Astrophysique de Marseille) 소속 천문학자이며, 은하의 형성과 진화를 연구한다. 참세상은 이 글을 공동 게재한다.