암흑물질 없는 은하 발견…표준 우주모형까지 흔들까

카나리아제도 천체물리연구소(IAC) 연구진
외계 은하 NGC1277 관측 결과, 암흑물질 없어
표준 우주모델에서는 암흑물질 10%이상 있어야
암흑물질 사라진 이유 설명도 어려워

우주에서 우리가 눈으로 볼 수 있는 물질은 전체 질량의 5%에 불과하다. 나머지 95% 질량은 암흑물질과 암흑에너지가 차지하고 있다. 암흑물질과 암흑에너지는 우주 전체에 퍼져 있으면서 은하와 별이 만들어지는 데 큰 영향을 미쳤다는 것이 현대 우주론의 핵심이다. 그런데 최근 암흑물질이 없는 은하가 발견되면서 우주의 구조와 구성을 설명하는 표준 우주모형의 입지가 흔들릴 수 있다는 주장이 나왔다.

세바스티안 코메론 스페인 라 라구나대 연구원과 카나리아제도 천체물리연구소(IAC) 연구진은 암흑물질이 포함되지 않은 외계 은하를 발견했다고 20일 밝혔다. 표준 우주모형에 따르면 이 은하의 질량 중 최소 10%는 암흑물질이 차지해야 한다. 암흑물질이 없는 은하가 발견된 것은 이번이 처음으로 연구 결과는 국제 학술지 ‘천문학 천체물리학’에 이달 11일 소개됐다.

허블우주망원경이 촬영한 외계 은하 'NGC1277'의 모습. 이 은하에 암흑물질이 존재하지 않는다는 관측 결과가 최근 발표됐다. 우주 전체에 암흑물질이 퍼져 있고, 이로 인해 현재의 우주가 만들어졌다는 표준 우주모형이 수정될 수도 있는 발견이다./미 항공우주국, 유럽우주청, 카나리아제도 천체물리연구소

◇현대 우주론의 핵심인 암흑물질

1933년 스위스의 천문학자 프리츠 츠비키는 ‘머리털자리 은하단(COMA)’을 관측하던 중 당시 이론으로는 설명할 수 없을 정도로 빠른 속도로 회전하고 있다는 것을 발견했다. 은하가 모여 있는 은하단이 빠르게 회전하면서도 해체되지 않고 유지하려면 큰 질량이 필요한데, 머리털자리 은하단을 이루는 천체의 총질량은 이보다 400배 이상 작았다. 우리 눈으로는 볼 수 없지만, 질량을 가진 암흑물질의 존재 가능성이 과학계에 처음 제기됐다.

암흑물질의 정체는 90년이 지난 지금까지 밝혀지지 않았으나 존재 가능성을 부정하는 천문학자는 없다. 현재 우주를 설명하는 표준 우주모형은 ‘람다 차가운 암흑물질(ΛCDM)’이다. 이름에서 나타나듯 암흑물질의 존재를 바탕으로 우주를 설명하는 이론이 현재 천문학계에서 널리 받아들여지고 있다.

NGC1277 은하는 지구에서 2억4000만광년 떨어진 페르세우스 은하단 중심에 있으며 약 120억년전에 만들어졌다. 천문학계에서는 ‘유물 은하’라는 별명으로도 불린다. 워낙 오래전에 만들어져 더이상 새로운 별이 만들어지지 않기 때문이다. 이 때문에 우주 탄생의 비밀을 알고 싶은 천문학자들의 관심이 이곳에 쏠려 있다.

IAC 연구진은 미국 텍사스주에 있는 맥도날드 천문대의 할란 스미스 망원경을 이용해 외계 은하 ‘NGC1277′을 관측하던 질량이 다른 은하보다 비정상적으로 가볍다는 결과를 얻었다. 코메론 연구원은 “최초의 은하가 어떻게 만들어졌나 이해하기 위해 NGC1277 관측을 시작했다”며 “그 결과 2만광년까지 은하의 질량 분포를 확인할 수 있는 지도를 만들게 됐다”고 말했다.

지도를 분석한 연구진은 은하 전체의 질량과 별의 모든 질량을 더한 값이 같다는 결론을 내렸다. 표준 우주모형에 따르면 이 은하의 전체 질량 중 최소 10%, 최대 70%는 암흑 물질이 차지해야 하지만 암흑물질이 전혀 없다는 관측 결과가 나온 것이다.

현재 천문학계에서 표준 우주모델로 받아들이는 '람다 차가운 암흑물질(ΛCDM)' 모형으로 해석한 우주의 진화 과정. 현재 우주를 설명하는 가장 적합한 방식으로 여겨진다./미 항공우주국, 람다아카이브, 더블유맵(WMAP)

◇암흑물질 없는 은하, 현대 우주론으론 설명 못 해

이번 연구에 참여한 이그나시오 트루질로 IAC 연구원은 “우리의 관측 결과와 기존 이론값이 차이 나는 것은 수수께끼 같은 문제”라며 “표준 우주모형에 대한 새로운 도전이 시작될 수 있다”고 말했다.

연구진은 암흑물질이 없는 은하의 존재를 설명하기 위해 두 가지 가설을 제시했다. 두 가설 모두 은하가 만들어진 초기에는 암흑물질이 있었으나 특정 이유로 사라졌다는 내용이다.

첫 번째 가설은 NGC1277이 주변에 있는 은하단의 영향을 받아 중력에 의한 상호작용으로 암흑물질이 사라졌다는 것이다. 암흑물질이 다른 물질과 상호작용하는 방식은 중력이 유일하다. 원시 은하가 합쳐져 은하가 만들어지는 과정에서 암흑 물질이 모두 방출됐다는 두 번째 가설도 제시됐다.

다만 두 가설 모두 암흑물질이 사라진 이유를 완벽히 설명하지 못한다. 연구진도 가설을 제시했을 뿐 만족스러운 설명은 어렵다고 말했다.

코메론 연구원은 “암흑물질이 없이 이토록 거대한 은하가 만들어진 이유는 여전히 풀리지 않은 퍼즐로 남아 있다”며 “고성능의 망원경을 이용해 더 정밀한 연구를 이어갈 것”이라고 말했다.

추가 연구에서도 암흑물질이 없는 은하가 맞다는 결과가 나오면 표준 우주모형을 수정해야 할 가능성도 있다. 특히 중력에 관한 이론이 바뀔 가능성이 크다. 암흑물질은 우주에서 중력으로 일어나는 현상을 설명하기 위해 도입됐고, 중력으로만 관측할 수 있기 때문이다.

트루질로 연구원은 “중력 법칙은 보편적이어야 하고 예외가 있어서는 안 된다”며 “암흑물질이 없는 은하의 발견은 현재 중력 법칙의 대표적인 반대 예시가 됐다”고 말했다.

참고자료

Astronomy & Astrophysics, DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202346291

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