‘보이지 않는 우주 그물망’ 암흑물질 고해상도 지도 나왔다

곽노필의 미래창
제임스웹우주망원경, 중적외선 관측 성과
80만개 은하 중력렌즈로 ‘우주 골조’ 확인

제임스웹우주망원경이 촬영한 약 80만개의 은하가 포함된 지도. 파란색으로 표시된 부분이 암흑물질이다. 미국항공우주국 제공

현대 우주론에 따르면 우주에 존재하는 모든 물질의 약 85%는 암흑물질이다. 우리 눈에 보이는 일반 물질은 전체의 15%에 불과하다.

우리 눈에 보이지 않는 암흑물질은 빛을 내뿜지도, 반사하지도, 흡수하지도 않는 수수께끼의 물질이다. 마치 유령처럼 물질을 통과해 버린다. 물질이 우주와 상호작용하는 유일한 통로는 중력이다. 이 중력의 힘으로 일반 물질이 별과 은하, 그리고 행성을 만들도록 지원하고 그룹으로 묶어준다. 한마디로 우주의 구조를 엮어주고 유지하는 실과 같은 존재다.

따라서 암흑물질의 존재는 별이나 은하에 미치는 중력의 영향을 통해 간접적으로 확인할 수 있을 뿐이다. 과학자들은 아주 멀리서 오는 빛이 거대한 중력을 가진 천체나 암흑물질을 만나면 직선으로 뻗지 못하고 휘게 되는 중력렌즈 효과를 분석해 암흑물질이 어떻게 분포해 있는지 파악한다.

국제 천문학 연구진이 제임스웹우주망원경(JWST)의 중력렌즈 관측 데이터를 이용해 역대 가장 해상도가 높은 암흑물질 분포도를 작성해 국제학술지 ‘네이처 천문학’에 발표했다. 연구진은 이전에 지상 천체망원경 관측에 기반해 만든 것보다 약 10배, 허블우주망원경 데이터에 기반해 만든 것보다 해상도가 2배 이상 높다고 밝혔다.

허블우주망원경(왼쪽)과 제임스웹우주망원경 데이터로 본 암흑물질 분포. 미국항공우주국 제공

별 탄생 왕성했던 100억년 전 은하에서 온 빛

이번 연구의 공동저자인 영국 더럼대 리처드 매시 교수(천체물리학)는 “수천개의 은하가 모인 거대 은하단에는 그에 상응하는 거대한 양의 암흑물질이 있다”며 “이 지도는 암흑물질과 일반 물질 언제나 같은 곳에 존재해 왔음을 보여준다”고 말했다. 암흑물질과 일반 물질은 바늘과 실처럼 함께 붙어다니며 우주를 엮어왔다는 것이다.

연구진은 제임스웹우주망원경의 중적외선 관측 장비 ‘미리’(MIRI)를 이용해 육분의자리에 있는 보름달 2.5배 크기의 하늘 영역을 관측했다. 육분의자리는 적도 부근에 있는 작은 별자리다. 앞서 연구진은 2007년 허블우주망원경 데이터를 이용해 이 영역의 암흑물질 지도를 제작한 바 있다.

연구진은 이번엔 255시간 동안 이 영역을 관측하며 약 80만개의 은하를 식별해냈다. 파장이 긴 중적외선은 두꺼운 우주 먼지 구름에 가려져 있는 은하들도 잘 잡아낸다. 연구진은 이어 은하들의 빛이 굴절되는 현상을 분석해 암흑물질을 찾아냈다. 사진에서 중력렌즈 효과를 낸 은하들의 빛은 100억년이 넘는 시간을 이동해 왔다. 이 시기는 별들이 가장 왕성하게 만들어졌던 때다.

지구에서 150만km 떨어진 거리에 있는 제임스웹우주망원경 상상도. 미국항공우주국 제공

암흑물질 먼저 뭉쳐 별·은하 형성 촉진

과학자들은 우주 초기에 암흑물질과 일반 물질이 흩어져 있다가 암흑물질이 먼저 뭉치기 시작하고, 그 다음에 일반 물질을 끌어당겨 별과 은하가 형성될 수 있는 구역을 만들었을 것으로 본다. 이는 결국 우리가 살고 있는 행성이 만들어질 수 있는 조건을 만드는 데도 일정한 역할을 했다.

논문 공동저자인 제이슨 로즈 제트추진연구소 연구원은 “이 지도는 암흑물질이 없었다면 우리 은하에 생명체가 출현할 수 있게 한 여러 원소들이 존재하지 않았을 수도 있다는 강력한 증거를 제시한다”며 “암흑물질은 지구의 일상생활에서 직접 마주하는 대상은 아니지만 우리에게 뚜렷한 영향을 미쳤다”고 말했다.

연구진은 다음엔 올해 말 발사될 예정인 낸시 그레이스 로만 우주망원경을 이용해 지금보다 4400배 더 넓은 영역의 암흑물질 지도를 작성할 계획이다.

*논문 정보

An ultra-high-resolution map of (dark) matter. Nat Astron (2026).

https://doi.org/10.1038/s41550-025-02763-9

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr