세종대 물리천문학과 채규현 교수, 은하 회전속도 곡선에서 수정중력(modified gravity)을 지지하는 새로운 연구 결과 발표: 수정관성(modified inertia)의 가능성은 사실상 사라지고 암흑물질도 도전받음

세종대학교(총장 배덕효) 물리천문학과 채규현 교수의 암흑물질 문제 해결로 제시된 수정 중력(modified gravity)을 지지하는 새로운 연구 결과가 미국 천문학회에서 발간하는 천체물리학저널(Astrophysical Journal) 2022년 12월호에 게재됐다.

“Distinguishing Dark Matter, Modified Gravity, and Modified Inertia with the Inner and Outer Parts of Galactic Rotation Curves”라는 제목의 이번 논문은 2년 전 같은 저널에서 발표돼 세계의 큰 주목을 받은바 있는 논문 “Testing the Strong Equivalence Principle: Detection of the External Field Effect in Rotationally Supported Galaxies”(2년 동안 5만6천회 이상 다운로드 기록)을 통해서 새로운 증거가 제시된 수정뉴턴역학(modified Newtonian dynamics, MOND)과 암흑물질 이론들을 비교 분석한 것으로서 매우 의미가 크다.

암흑물질은 뉴턴의 만유인력이나 아인슈타인의 일반상대성이론에 의해서 은하와 우주에 존재하는 것으로 가정하는 가상의 물질인데 비중력 실험에서는 그 존재가 검출되지 않고 있다. 수정중력은 일반상대성이론의 성공적인 부분을 보존하면서도 미묘하게 변형된 중력이론을 통해서 암흑물질 문제가 해결될 수 있다는 가설이다. 수정관성은 뉴턴역학에서 유래한 관성의 변형을 가정하는 이론이다.

나선 혹은 원반 은하에서 회전 운동하는 수소 가스는 여러 이론적 가능성들을 테스트 하기에 적합한 것으로서 우주가 제공하는 최고의 실험데이터 중의 하나이다. 차가운 암흑물질(cold dark matter, CDM)과 아인슈타인의 우주상수 Λ를 가정하는 표준우주론 모형 ΛCDM의 은하생성 유체역학 시뮬레이션은 암흑물질 헤일로의 특성을 예측하며, 이를 통해서 은하 회전속도 곡선을 예측한다. 반면, 수정중력이나 수정관성에 기반한 MOND는 암흑물질 없이 관측된 별과 가스의 바리온(baryon) 질량분포만으로 은하 회전속도 곡선을 예측한다.

수정중력과 수정관성은 은하원반의 중심(안쪽) 부근에서 반경의 함수로 상승하는 회전속도 곡선에 대해서 미세하게 다른 예측을 하는데, 이는 수정중력의 경우 원반 중심 부근에서 원반에 수직인 중력이 회전속력에 미세한 감소를 일으키기 때문이다. 이러한 감소는 회전속력 곡선이 가속도 평면에서 수정뉴턴역학의 곡선으로부터 약간 이탈하도록 한다. 반경 에서 관측된 회전속력 는 운동학적으로 관측된 가속도 을 주며 관측된 별과 가스의 바리온 질량 분포는 뉴턴역학이 예측하는 가속도를 주는데 이 둘에 의해서 가속도 평면이 정의된다. 수정중력과 수정관성의 미세한 차이는 한 은하의 회전속도 곡선으로는 구별하기가 어렵다. 그러나 여러 은하의 신호를 통계적으로 합친다면 수정중력과 수정관성이 구별될 수 있다.

채규현 교수는 수정중력, 수정관성 및 암흑물질을 구별하기 위해서 Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves(SPARC) 데이터베이스에서 선별된 152개 회전속도 곡선의 안쪽 상승하는 부분과 바깥쪽 편평한 부분을 분리하여 분석했다. 그 결과 두 부분이 가속도 평면에서 명확한 차이를 보여주고 있음을 발견했다. 또한, 이 차이는 이론물리학자 제이콥 베켄슈타인(Jacob Bekenstein)과 모르더하이 밀그롬(Moredehai Milgrom)이 제안한바 있는 AQUAL이론의 예측과 일치하는 것이었다. 채 교수는 이번 연구를 위해서 올해 초에 밀그롬 박사와 함께 발표한 AQUAL이론의 수치적 해를 사용했다. 사실 이 수치적 해가 회전속도 곡선 안쪽과 바깥쪽이 가속도 평면에서 다를 것을 명확히 예측하는데, 이 미세한 차이가 SPARC 데이터베이스에서도 그대로 나타나 채 교수는 놀라움을 금치 못했다. 이에 대해 채교수는 “이 결과는 향후 추가적인 연구를 통해서 더욱 확증이 필요할 수는 있으나 이미 너무 명확한 결과라 수정중력에 대한 상당한 증거로 보인다”라고 말했다. 이는 수정관성이 사실상 폐기됨을 의미하기도 한다.

채 교수는 또한 수정중력과 암흑물질 헤일로의 예측을 비교했다. 이는 수정중력의 예측이 유일하지 않을 수도 있기 때문이다. 분석 결과 암흑물질 헤일로가 회전속력 곡선의 안쪽과 바깥쪽이 가속도 평면에서 다름을 AQUAL과 유사하게 예측하기는 하나 각각의 곡선들은 SPARC 데이터의 곡선들에서 벗어났다. 이는 암흑물질 헤일로에 어떤 인위적인 조정이 필요함을 의미한다. 놀라운 것은 수정중력이론은 그런 인위적인 조정 없이 데이터와 잘 일치한다는 것이다.

기존의 SPARC 데이터베이스에 기초한 연구 결과에 고무된 채 교수는 보다 강력하게 이론들을 테스트하기 위해 현재 국제적 연구 협력을 통해서 새로운 데이터베이스 구축에 나서고 있다. 여기에는 이탈리아 프로렌스의 Arcetri Astrophysical Observatory 및 INAF의 페데리코 렐리(Federico Lelli) 박사가 깊이 관여하고 있다. 이 프로젝트는 한국연구재단의 과제로 선정되어 향후 3년 6개월 동안 연구비를 지원 받는다. 채 교수는 “앞으로 몇 년간 암흑물질 문제 해결에 대한 획기적인 성과가 기대된다”라고 밝혔다.

온라인 중앙일보