008. 암흑물질(Wimp)

008. 암흑물질(Wimp)                                              

 

 암흑 물질에 대한 이야기를 시작해 보겠습니다. 우주를 구성하는 물질 중 약 85%

가 암흑 물질로 이루어져 있다고 알려져 있습니다. 하지만 이 물질은 우리가 직접

관측할 수 없기 때문에 많은 과학자들이 그 정체를 밝혀내기 위해 연구하고 있습

니다. 오늘은 암흑 물질에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

 

1. 암흑 물질의 정의                                                                                                   

 암흑 물질(暗黑物質, dark matter)은 전자기파와 상호작용하지 않기 때문에 빛을

방출하거나 반사하지 않는 물질입니다. 따라서 우리는 이 물질을 직접적으로 관측

할 수 없습니다. 하지만 그 존재는 중력의 영향을 통해 간접적으로 확인할 수 있습

니다. 우주에서 별과 은하의 움직임을 관찰하면, 그들이 예상보다 더 빠르게 움직

이고 있다는 것을 알 수 있습니다. 이는 보이지 않는 물질이 그들 주위에 존재한다

는 것을 의미합니다.

 

2. 암흑 물질의 역사                                                                                                  

 암흑 물질의 개념은 1930년대에 처음 제안되었습니다. 스위스의 천문학자 프리

츠 츠비키(Fritz Zwicky)는 은하단의 운동을 연구하면서, 보이지 않는 물질이 존

재해야 한다고 주장했습니다. 이후 여러 연구자들이 이 개념을 발전시켜 왔습니

다. 특히 1970년대에 바르크와 로빈슨이 은하의 회전 곡선을 연구하면서 암흑 물

질의 존재를 더욱 확고히 하였습니다.

 

3. 암흑 물질의 성질                                                                                                   

 암흑 물질은 여러 가지 특성을 가지고 있습니다.

첫째, 이 물질은 전자기파와 상호작용하지 않기 때문에 우리가 사용하는 모든 관측

         장비로는 탐지할 수 없습니다.

둘째, 암흑 물질은 중력에 의해 영향을 받습니다. 즉, 다른 물질과의 중력적 상호작

         용을 통해 그 존재를 확인할 수 있습니다.

셋째, 암흑 물질은 우주에서 매우 느리게 움직입니다. 이는 우주 초기의 고온 상태

         에서 형성된 후, 현재까지도 그 속도가 느리다는 것을 의미합니다.

 

4. 암흑 물질의 탐색 방법                                                                                          

 암흑 물질을 탐색하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 가장 일반적인 방법은 중력

렌즈 효과를 이용하는 것입니다. 이는 빛이 강한 중력장에 의해 휘어지는 현상으

로, 암흑 물질이 존재하는 위치를 추정할 수 있습니다. 또한, 지하 실험실에서 고

에너지 입자를 탐지하는 방법도 연구되고 있습니다. 이러한 실험들은 암흑 물질

의 후보 입자를 찾기 위한 노력의 일환입니다.

 

5. 암흑 물질의 우주에서의 역할                                                                  

 암흑 물질은 우주 구조 형성에 중요한 역할을 합니다. 초기 우주에서 암흑 물질이

중력적으로 끌어당기면서 물질이 모여 은하와 은하단이 형성되었습니다. 현재 우

주에서 암흑 물질은 은하의 회전 속도와 분포에 큰 영향을 미치고 있습니다. 이러

한 연구는 우주의 진화와 구조를 이해하는 데 필수적입니다.

 

 

6. 암흑 물질과 현대 물리학                                                                                       

 암흑 물질은 현대 물리학의 여러 이론과 연결되어 있습니다. 예를 들어, 초대칭

이론이나 끈 이론 등은 암흑 물질의 정체를 설명하기 위한 다양한 모델을 제안하

고 있습니다. 이러한 이론들은 물리학의 기본 원리를 확장하는 데 기여하고 있습

니다.

 

7. 암흑 물질에 대한 다양한 이론                                                                               

 암흑 물질의 정체에 대한 여러 이론이 존재합니다. 대표적으로 WIMP(Weakly

Interacting Massive Particles)와 같은 입자들이 있습니다. 이 외에도 액시온,

스텔라 입자 등 다양한 후보들이 제안되고 있습니다. 각 이론은 실험적 증거를

통해 검증되고 있으며, 앞으로의 연구가 기대됩니다.

 

8. 암흑 물질의 미래 연구 방향                                                                                   

 암흑 물질에 대한 연구는 앞으로도 계속될 것입니다. 새로운 관측 기술과 실험 장

비가 개발됨에 따라, 암흑 물질의 정체를 밝혀내는 데 한 걸음 더 나아갈 수 있을

것입니다. 또한, 국제적인 협력 연구가 이루어지고 있어, 다양한 관점에서 암흑 물

질을 탐구할 수 있는 기회가 많아질 것입니다.

 우주에 대한 우리의 이해는 암흑 물질을 통해 더욱 깊어질 것입니다. 앞으로의 연

구 결과가 기대됩니다. 

 

 암흑 물질의 정체를 밝히기 위한 다양한 이론이 제안되고 있습니다.

 

9. 참고자료                                                                                                                    

[1] Wikipedia - 암흑물질 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전 (https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%95%94%ED%9D%91%EB%AC%BC%EC%A7%88)

[2] 네이버 블로그 - 암흑물질[흑암]의 깊음 생명체에 대한 진리 - 네이버 블로그 (http://m.blog.naver.com/yeoumds/221582142423)

[3] YouTube - 암흑물질이란 무엇인가? 암흑물질 후보 연구에 한국 과학자들이 ...

(https://www.youtube.com/watch?v=7tFq_9wAd-k)

[4] WordPress.com - 우주와 흑암 - 자생식물원 (https://alivespace.wordpress.com/2009/01/06/%EC%9A%B0%EC%A3%BC%EC%99%80-%ED%9D%91%EC%95%94/)

 

 최근에 세계 과학계의 최대 관심사인데 암흑물질의 존재를 입증할 만한 확실한  증거를 한국인 과학자가 찾아냈습니다.

 

10. 단상                                                                                                                       

 우주공간 곳곳에 퍼져 있으나 지금까지 그 실체가 드러나지 않은 신비의 물질 암

흑물질. 우주공간에 연기처럼 존재하는 암흑물질은 우리 탄생과 질소의 비밀을 지

니고 있어 현대 물리학과 천문학의 최대 관심사지만 눈에 보이지 않아 이론상의 존

재일 뿐이었습니다.

 

미국 존스홉킨스 대학의 김현국 박사와 나사 연구진은 최근 이 암흑물질의 존재를

입증할 확실한 증거를 찾아냈습니다.

 

지구에서 약 50억 광년 떨어진 은하달의 중심에서 지름 26만 광년의 고리 모양을

관측한 겁니다. 이것은 눈에 보이지 않는 엄청난 밀도의 물질이 빛을 마치 물결처

럼 밀어내 만든 고리로 암흑물질의 가장 명확한 증거로 인정됐습니다.

 

지명국 박사는 눈에 보이지 않는 암흑물질의 구조를 관찰함으로써 암흑물질의 움

직임을 밝혀낼 수 있을 것으로 전망했습니다.

이 연구는 세계 주요언론에 크게 보도됐으며 천체물리학저널에 게재될 예정입니다.

 

11. 빅뱅우주론                                                                                                          

 우주는 무(無)에서 시작됐으며 그 시작의 시점은 시간. 공간, 물질의 출발을 뜻한

다. 크리스천 과학자라면 빅뱅우주론을 신의 개입이나 섭리에 의해 우주가 창조됐

음을 뒷받침하는 과학의 금자탑으로 꼽을 것이다. 이는 알 수 없는 것을 설명하기

위해 무작정 신을 끌어들인 경우와는 근본적으로 차원을 달리하는 검증된 영역이

다.

 

 천문학자인 펜지아스와 윌슨은 빅뱅의 불덩어리가 전자기파의 형태로 남은 일종

의 메아리인 '태초의 빛'을 포착해 천문학의 가장 권위있는 학술지인 천체물리학

저널에 1965년에 게재했다. 이들이 제출한 세 쪽짜리 논문은 무려 13년 동안에

걸쳐 초기 검증이 이루어졌고 최근에는 미항공우주국(NASA)의 인공위성 코비

(COBE)의 관측으로 그 존재가 더욱 확실하게 증명되었다.

 

그리고 1978년 스웨덴 왕립학회는 이들에게 노벨 물리학상을 수여했다.

그들의 공적 문에는 이렇게 씌어 있다.

"태초의 빛을 최초로 관측한 공로로..."

 

신이 창조한 태초의 빛은 더 이상은 감출 수 없는 과학적 진실로 자리매김했다.

태초의 빛을 추적하기 위해 시간을 거슬러 올라가면 우주의 시작점 즉 지금으로

부터 대략 140억 년 전 빅뱅의 순간에 다다르게 된다. 바로 그날, 아무런 예고도

없이 신의 특별한 개입에 의해 뜨거운 불덩어리가 갑자기 튀어 나왔다.

이론 물리학자들은 빅뱅 당시 불덩어리의 우주는 10의 30승(1자 뒤에 0이 30개

붙은 숫자)℃로 추정하고 있다. 이 불덩어리는 지금도 팽창하고 있는 우주의 씨

앗이다.

 

 천문학자들에 따르면 거기에는 빛과 물질이 뒤엉켜 있었다. 이른바 플라스마 상

태로 어둠과 혼돈 그 자체였다. 성서는 과학책이 아니지만 과학을 뛰어넘어 이렇

게 기록 하고 있다. "땅이 혼돈하고 공허하며 흑암이 깊음 위에 있고..."(창 1:2) 그

리고 불덩어리는 팽창을 계속했고 그에 따라 온도는 점차 식어갔다.

대략 38만년이 흐른 뒤 우주의 온도는 3300℃ 정도로서 태양 표면보다 조금

차가웠을 것으로 추정하고 있다. 바로 이 때 빛과 물질이 분리돼 우주는 어둠과 혼

돈 상태에서 거의 투명하게 바뀌었다.

 

천문학자들은 이 시기를 빛과 물질의 '분리 시기'라 부른다.

그 전까지는 빛과 물질이 뒤엉켜 있었기 때문에 마치 짙은 안개에 휩싸여 우주를

직접 볼 수 없지만 분리 시기 이후에는 안개가 거치듯 주변의 모습이 점차 드러나

게 됐다. 비로소 빛이 출현했고 그것을 통해 우주의 모습을 볼 수 있게 된 것이다.

이것이 '태초의 빛'이다. 성서의 기록은 또다시 정곡을 찌른다.

 

"하나님이 가라사대 빛이 있으라 하시매 빛이 있었고...하나님이 빛과 어둠을

나누사"(창 1:3∼4)

 

태초의 빛은 대부분 파장이 1000분의 1㎜(근적외선에 해당)였다.

그런데 140억년에 걸친 우주의 팽창으로 그 파장은 1㎜(마이크로파에 해당)로 엄

청 나게 늘어났다. 이 파장의 온도는 -270℃. 절대 온도 0도가 -273℃임을 감안하

면 얼마나 차갑게 냉각된 마이크로파인가를 짐작할 수 있다. 그런데 이 빛의 온도

는 1930년대에 이미 간접적으로 관측됐었다. 우리 은하의 성간 가스 구름의 온도

가 대략 -270℃라는 사실이 밝혀졌기 때문이다.

 

태초의 빛은 1965년 예상치 못한 연구에서 발견됐다. 펜지아스와 윌슨은 당시 인

공위성을 이용한 국제전화통신에 사용할 마이크로파 안테나를 시험 중이었다.

안테나의 감도는 매우 높아야 했고 이를 위해 모든 전파의 잡음에 대한 발생 원인

을 찾아 제거해야 했다. 하지만 온갖 방법을 동원해도 전파의 잡음은 잡히지 않았

다.

이때까지만 해도 태초의 빛을 찾으려는 생각은 전혀 없었다.

 

어느 날 두 천문학자는 빅뱅우주론이 예측한 태초의 빛이 마이크로파 영역에서 관

측 될 것이란 사실을 전해 들었다. 이 안테나에 포착돼 제거되지 않은 전파 잡음이

바로 우주배경복사 즉 '태초의 빛'이라는 결론에 도달하게 됐다.

그 후 이 빛은 여러 천문학자에 의해 검증을 거듭했다.

이 빛을 확인한 한 천문학자는 흥분을 감추지 못한 나머지 이렇게 소리쳤다.

"신의 손가락이 보인다."

 

12. 국내연구 사례                                                                                                     

 강원 양양군의 한 산지에서는 현재 대형 양수발전소가 건설되고 있다.

발전소를 짓기 위해 산 중턱에 뚫어 놓은 굴 입구에서 자동차를 타고 1.8㎞를 들어

가자 어두컴컴한 귀퉁이에 철판으로 지어놓은 조그만 건물이 보였다.

이곳에서 수직으로 700m를 올라가야 지표면에 닿는다.

이 건물이 우주의 신비로 불리는 '암흑물질'을 찾기 위해 최근 한국인 과학자가 처

음으로 만든 '암흑물질 탐색 실험실' 이다.

이 실험실을 세운 서울대 김선기 교수(물리학부)는 "지난달 말 가장 중요한

크리스털 탐지기가 이곳에 설치돼 이달부터 본격적인 실험에 들어갔다"고 말했다.

김 교수는 2000년 과학기술부의 '창의적 연구과제'에 선정되면서 암흑물질 탐색을

시작했다. 재수, 삼수 끝에 얻은 성과였다.

 

세종대 김영덕, 연세대 김홍주 교수 등 15명의 과학자가 연구팀에 참여했다.

그는 "남들 다 하는 것은 매력이 없어서 암흑물질 찾기에 뛰어들었다"고 말했다.

실패할 가능성이 훨씬 높은 연구지만 그는 실험실 공간이 지난해 터널 공사 중 우

연히 생겼다며 ‘길조’라고 웃었다. 발전소를 짓는 한국중부발전도 김 교수를 적극

도와 줬다.

 

암흑물질은 전자, 원자등 지금까지 알려져 있던 물질과 전혀 다른 새로운 물질이

다. 보이지도 않고, 기존 물질과 거의 반응을 하지 않아 옛날에는 존재조차 몰랐다.

그러나 20세기 후반 들어 암흑물질이 우주 질량의 90%를 차지한다는 사실이

밝혀졌다. 암흑물질이 없었다면 별도, 은하도, 생명도 탄생하지 못했을 것이다.

 

암흑물질이 실제로 무엇인지는 아직 아무도 모른다. 한때 빛이 없는 갈색 왜성이

나 블랙홀 등이 암흑물질의 후보로 거론됐다. 지금은 윔프(WIMP), 가벼운 액시온

, 중성미자 등 미세한 입자들이 유력하다. 이 중 김 교수가 찾는 것은 윔프다.

 

윔프는 '약한 상호작용을 하는 무거운 입자(Week Interactive Massive Particle)'를

뜻한다. 손톱 하나의 넓이에 초당 수십만 개가 날아오는 윔프는 수소 원자보다

100배나 무겁다. 1970년대 윔프의 개념을 창안한 사람이 자동차 사고로 죽은 한

국인 물리학자 고 이휘소 박사다.

 

지하 실험실에 들어서자 김 교수가 윔프를 찾는 핵심 장치라며 30㎝ 길이의 하얀색

막대를 보여줬다. 세슘과 요오드로 만들어진 ‘크리스털’이다. 한 개에 1500만원 이

다. 우주에서 날아오는 윔프는 지구를 관통하며 아무 일 없이 지나가지만 아주 드물

게 기존 물질과 충돌할 때가 있다. 윔프가 무게가 비슷한 세슘 원자에 충돌하면 녹

색 빛이 나오고 이 빛을 검출하면 윔프의 존재를 증명할 수 있다.

하루에 한 번만 나와도 엄청난 성공이다.

 

김 교수는 "이 기술은 처음 시도되는 것으로 외국의 방식보다 효율이 높다"며 경쟁

에서 승리를 기대한다고 말했다. 물론 몇 배 더 많은 연구비를 붓고 있는 10여개의

외국팀이 현재로선 앞서 있는 것이 사실이다. 김 교수는 "2개인 크리스털 을 올해

안에 10개로 늘릴 계획"이라며 "처음에 크리스털을 25개 설치하려고 했지만 예산

이 부족하다"며 아쉬워했다.

 

방해물도 많다. 우주에서 날아오는 방사선과 또 다른 소립자들이다.

이들은 비슷한 반응을 일으키는 '가짜 윔프'다. 연구팀이 지하 깊숙이 실험실을 만

든 것도 가짜 윔프를 피하기 위해서다.

그것도 모자라 연구팀은 탐지기를 몇 겹의 차폐재로 둘러싼 작은 방 크기의 금고

에 넣는다. 30㎝ 두께의 오일 통, 15㎝ 두께의 납, 5㎝ 두께의 합성수지, 10cm 두

께의 구리판이 탐지기를 가짜 윔프에서 보호한다. 금고 무게만 40t이다.

 

"암흑물질이 발견된다면 우리의 물질관에도 코페르니쿠스적인 혁명이 일어날 것

입니다. 보이지 않는 물질이 없었다면 우주도 우리도 존재할 수 없었을 것입니다.

그 호기심을 풀기 위해 지하 700m의 이곳에서 밤을 새우는 겁니다."

출처 : http://www.dongascience.com(동아사이언스)