한국 천문학자들, 우주의 골격 찾았다

지명국 연세대 천문우주학과 교수 연구진
“거미줄 모양 암흑물질 필라멘트 관측”

연세대 연구진이 발견한 암흑물질 필라멘트. 초록색 구름모양은 코마(Coma) 은하단과 필라멘트를 이루는 암흑물질이다. 이론적으로만 예측됐던 우주의 진화 과정을 검출했다는 평가가 나온다./연세대

국내 연구진이 우주의 골격을 이루는 거미줄 모양의 암흑물질 필라멘트의 존재를 증명했다. 암흑물질 필라멘트는 우주 초기 중력에 이끌린 암흑물질이 흐르면서 무작위로 만들어진 것으로 추정된다. 우주 탄생의 비밀을 푸는 데 한 발짝 다가갔다는 평가가 나온다.

지명국 연세대 천문우주학과 교수가 이끄는 연구진은 8일 이론으로만 예측하던 암흑물질 필라멘트의 구조를 관측하는 데 성공했다고 밝혔다.

현재 우주의 구조를 설명하는 표준 우주모형은 ‘람다 차가운 암흑물질(ΛCDM)’이다. 이름에서 나타나듯 암흑물질의 존재를 바탕으로 우주를 설명하는 이론이다. 암흑물질은 질량을 갖고 있으나 우리가 관측할 수 없는 물질이다. 이 이론에 따르면 우주의 5%만이 우리가 볼 수 있는 물질로 이뤄졌다. 나머지 70%는 암흑에너지, 25%를 암흑물질이 차지하고 있다.

암흑물질은 우주 전체에 거미줄 구조로 복잡하게 연결돼 있다. 이 구조는 ‘필라멘트(Filament)’로 불리는 가느다란 실 모양으로 얽혀 있을 것으로 추정된다. 다만 관측이 불가능한 암흑물질로 이뤄진 탓에 그 존재를 실제로 관측하지는 못하고 있다. 필라멘트의 교차점에는 태양 질량의 1000조배에 달하는 은하단이 만들어지는 데, 은하단의 존재를 통해 필라멘트 구조의 존재를 유추할 뿐이다.

연세대 연구진은 중력렌즈 현상을 이용해 필라멘트 구조를 검출해 내는 데 성공했다. 중력렌즈는 중력에 의해 빛이 굴절하는 현상으로 마치 렌즈와 비슷한 효과를 내 이런 이름이 붙었다. 망원경과 암흑물질 사이에 있는 물질의 중력 크기에 따라 굴절되는 정도가 달라져 이를 역이용하면 암흑물질의 존재를 추정할 수 있다.

연구진은 하와이 마우나케아 천문대에 있는 스바루 망원경으로 관측한 데이터를 분석해 필라멘트를 검출했다. 3억2000만 광년 떨어진 ‘코마(Coma)’ 은하단의 관측 자료를 분석해 은하단의 형태가 실제와 다르게 보이는 정도를 분석했다.

중력렌즈 효과에 의해 은하의 모양이 어떻게 변하는지 비교하기 위해 첨단 광학 이미지 처리 기술과 빅데이터 통계 분석을 활용했다. 수십만개의 은하 모양을 분석해 코마 은하단의 본래 형태와 망원경 관측 데이터를 분석했다.

그 결과, 코마 은하단 주변에서 약한 중력렌즈 효과가 관측됐다. 이를 바탕으로 2개의 필라멘트 구조가 존재한다는 것이 드러났다. 이를 바탕으로 그린 필라멘트 구조도 이론으로 예측한 구조와 일치하는 것으로 나타났다.

지 교수는 “이론으로만 존재하던 우주의 거대 구조 진화 과정을 직접적으로 관측해 검증한 연구”라며 “우주의 형성 기원과 진화에 대한 이해는 물론 표준 우주론 검증에 큰 역할을 할 것으로 기대된다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 천문학’에 지난 5일 소개됐다.

참고자료

Nature Astronomy, DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-023-02164-w

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