암흑물질은 우주에 두 가지 형태로 존재한다?
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2026-04-13 20:15:41
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- 이론에 따르면 암흑물질 입자는 충돌할 때 서로 소멸하면서 고에너지 감마선 방출
- 은하 중심부처럼 역동적이고 밀도가 높은 환경에서만 두 번째 형태의 들뜬 상태의 암흑물질 입자가 존재
- 암흑물질은 서로 다른 두 가지 입자 형태로 존재할 수 있다.
- 두 입자가 충돌할 때만 소멸 반응이 일어난다
암흑물질은 우주 어디에나 존재하며 우주의 구조를 결정적으로 형성해 왔다. 그런데도 우리는 이 특이하고 보이지 않는 물질에 대해 아는 것이 거의 없다. 그 특성과 분포는 부분적으로만 이해되고 있으며, 어떤 입자로 구성되어 있는지도 알려지지 읺았다. 암흑물질은 일반 물질과 빛에 미치는 중력 효과를 통해서만 간접적으로 감지할 수 있다.
은하 중심부의 "감마선 빛"의 미스터리
암흑물질에 관한 또 다른 단서는 소멸 현상일 수 있다. 이론에 따르면 암흑물질 입자는 충돌할 때 서로 소멸하면서 고에너지 감마선을 방출한다. 실제로 천문학자들은 은하 중심부에서 감마선 과잉 현상을 관측했는데, 이는 모델에서 암흑 물질이 다량 존재할 것으로 예측되는 영역이다. 그러나 이 감마선 빛이 은하 중심부에 있는 수많은 펄서와 같은 다른 곳에서 비롯된 것인지에 대해서는 논쟁이 있다.
만약 은하 중심부의 감마선 빛이 실제로 암흑 물질 소멸에서 비롯된 것이라면, 다른 은하에서도 유사한 현상이 관측되어야 한다. 천문학자들은 특히 감마선 방출원이 많지 않은 왜소 은하에 주목하고 있다. "따라서 왜소은하는 암흑물질 소멸을 관측하기에 비교적 방해받지 않는 환경을 제공한다"고 미국 페르미 국립가속기연구소의 애셔 베를린(Asher Berlin)과 그의 동료들은 설명했다.
왜 왜소은하에서는 신호가 감지되지 않는 걸까? 문제는 지금까지 천문학자들이 왜소은하에서 감마선 과잉 방출을 감지하지 못했다는 것이다. 한 가지 가능한 설명은 이러한 저(低)질량 은하에서 암흑물질 입자의 충돌이 더 적게 발생한다는 것이다. "이러한 신호의 부재는 이미 암흑물질 소멸 확률값을 좁히는 데 사용되었다"고 베를린과 그의 연구팀은 설명했다. 현재의 감마선 망원경으로는 이러한 미약한 신호를 감지할 만큼 충분히 민감하지 않을 수도 있다.
하지만 암흑물질이 특정 조건, 예를 들어 입자들이 높은 에너지로 충돌할 때만 소멸한다는 가능성도 생각해 볼 수 있다. "은하 중심부에 있는 암흑물질 입자의 운동 에너지는 왜소 은하에 있는 입자보다 약 천 배 더 높다"고 천체물리학자들은 설명한다. 따라서 작은 은하에서는 소멸 반응이 더 적게 일어날 수 있다.
암흑물질 입자의 두 가지 상태
이러한 가정을 바탕으로 베를린과 그의 연구팀은 다소 복잡한 새로운 이론을 개발했다. 이 이론에 따르면 암흑물질은 우주에 두 가지 형태로 존재한다. "암흑물질은 서로 다른 두 가지 입자 형태로 존재할 수 있으며, 두 입자가 충돌할 때만 소멸 반응이 일어난다"고 페르미랩과 시카고 대학교의 수석 저자인 고든 크르냐익은 설명했다.
구체적으로, 물리학자들은 대부분의 암흑물질 입자가 낮은 에너지의 바닥 상태인 x1에 있다고 가정한다. 그러나 에너지 입력에 의해 가속되고 여기되면 입자는 약간 더 무거운 상태인 x2를 취한다. "이러한 여기 반응은 천체물리학계의 운동 에너지 분포에 따라 달라진다"고 연구팀은 밝혔다. 따라서 은하 중심부와 같이 역동적이고 질량이 큰 환경에서는 밀도가 낮고 질량이 작은 왜소은하보다 더 많은 암흑물질 입자가 들뜬다.
소멸에는 두 입자가 모두 필요
핵심은 이 시나리오에 따르면, 암흑물질 입자가 바닥 상태에 있고 여기된 γ² 입자가 충돌할 때만 소멸이 일어난다는 것이다. 베를린과 그의 동료들은 "γ² 입자가 상당수 존재하지 않기 때문에 왜소은하는 감마선을 매우 적게 방출한다"고 설명했다. 따라서 이 모델은 망원경이 왜소은하에서 소멸 신호를 아직 감지하지 못한 이유를 설명할 수 있다.
천체물리학자들은 "우리는 은하 중심부와 왜소은하에서 방출되는 감마선 사이의 상관관계가 깨진 암흑물질 모델을 제시한다"고 기술했다. 따라서 암흑물질 입자의 두 가지 상태의 존재는 현재 관측 결과뿐만 아니라 우주에서 관측되는 암흑물질 관련 다른 모순점들도 설명할 수 있을 것이다.
참고:
Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2026; doi:
10.1088/1475-7516/2026/04/017)
출처: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Sissa Medialab
- 이론에 따르면 암흑물질 입자는 충돌할 때 서로 소멸하면서 고에너지 감마선 방출
- 은하 중심부처럼 역동적이고 밀도가 높은 환경에서만 두 번째 형태의 들뜬 상태의 암흑물질 입자가 존재
- 암흑물질은 서로 다른 두 가지 입자 형태로 존재할 수 있다.
- 두 입자가 충돌할 때만 소멸 반응이 일어난다
암흑물질은 두 가지 형태로 존재할 수 있을까요?
암흑물질 입자의 두 번째 상태는 왜소 은하에서 감마선이 관측되지 않는 이유를 설명할 수 있다.
새로운 모델에 따르면, 암흑물질은 두 가지 형태로 존재할 수 있다. 이 특이한 형태의 물질 대부분은 낮은 에너지의 바닥 상태에 있다. 은하 중심부처럼 역동적이고 밀도가 높은 환경에서만 두 번째 형태의 들뜬 상태의 암흑물질 입자가 존재한다. 이는 암흑물질 입자의 상호 소멸이 모든 곳에서 일어나지 않는 이유를 설명할 수 있다. 천체물리학자들은 상호 소멸이 일어나려면 두 가지 형태 모두 필요하다고 가정한다.
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| ▲ 은하 중심부에서 방출되는 과도한 감마선은 암흑 물질의 존재를 시사하는 지표로 여겨진다. 하지만 왜 다른 은하에서는 이러한 감마선 방출이 관측되지 않는 것일까? © NASA, A. Mellinger/ Central Michigan University, T. Linden/ University of Chicago |
암흑물질은 우주 어디에나 존재하며 우주의 구조를 결정적으로 형성해 왔다. 그런데도 우리는 이 특이하고 보이지 않는 물질에 대해 아는 것이 거의 없다. 그 특성과 분포는 부분적으로만 이해되고 있으며, 어떤 입자로 구성되어 있는지도 알려지지 읺았다. 암흑물질은 일반 물질과 빛에 미치는 중력 효과를 통해서만 간접적으로 감지할 수 있다.
은하 중심부의 "감마선 빛"의 미스터리
암흑물질에 관한 또 다른 단서는 소멸 현상일 수 있다. 이론에 따르면 암흑물질 입자는 충돌할 때 서로 소멸하면서 고에너지 감마선을 방출한다. 실제로 천문학자들은 은하 중심부에서 감마선 과잉 현상을 관측했는데, 이는 모델에서 암흑 물질이 다량 존재할 것으로 예측되는 영역이다. 그러나 이 감마선 빛이 은하 중심부에 있는 수많은 펄서와 같은 다른 곳에서 비롯된 것인지에 대해서는 논쟁이 있다.
만약 은하 중심부의 감마선 빛이 실제로 암흑 물질 소멸에서 비롯된 것이라면, 다른 은하에서도 유사한 현상이 관측되어야 한다. 천문학자들은 특히 감마선 방출원이 많지 않은 왜소 은하에 주목하고 있다. "따라서 왜소은하는 암흑물질 소멸을 관측하기에 비교적 방해받지 않는 환경을 제공한다"고 미국 페르미 국립가속기연구소의 애셔 베를린(Asher Berlin)과 그의 동료들은 설명했다.
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| ▲ 현재 암흑 물질의 존재는 간접적인 방법으로만 감지할 수 있다. 이 그림은 은하단 아벨 520에서 질량 분포(파란색)와 밝은 은하의 개수(주황색) 사이의 불일치를 통해 암흑 물질의 존재를 보여준다. © NASA |
왜 왜소은하에서는 신호가 감지되지 않는 걸까? 문제는 지금까지 천문학자들이 왜소은하에서 감마선 과잉 방출을 감지하지 못했다는 것이다. 한 가지 가능한 설명은 이러한 저(低)질량 은하에서 암흑물질 입자의 충돌이 더 적게 발생한다는 것이다. "이러한 신호의 부재는 이미 암흑물질 소멸 확률값을 좁히는 데 사용되었다"고 베를린과 그의 연구팀은 설명했다. 현재의 감마선 망원경으로는 이러한 미약한 신호를 감지할 만큼 충분히 민감하지 않을 수도 있다.
하지만 암흑물질이 특정 조건, 예를 들어 입자들이 높은 에너지로 충돌할 때만 소멸한다는 가능성도 생각해 볼 수 있다. "은하 중심부에 있는 암흑물질 입자의 운동 에너지는 왜소 은하에 있는 입자보다 약 천 배 더 높다"고 천체물리학자들은 설명한다. 따라서 작은 은하에서는 소멸 반응이 더 적게 일어날 수 있다.
암흑물질 입자의 두 가지 상태
이러한 가정을 바탕으로 베를린과 그의 연구팀은 다소 복잡한 새로운 이론을 개발했다. 이 이론에 따르면 암흑물질은 우주에 두 가지 형태로 존재한다. "암흑물질은 서로 다른 두 가지 입자 형태로 존재할 수 있으며, 두 입자가 충돌할 때만 소멸 반응이 일어난다"고 페르미랩과 시카고 대학교의 수석 저자인 고든 크르냐익은 설명했다.
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| ▲ 우주 진화 과정에서 두 가지 암흑 물질 변종의 비율: 우주가 식은 후, 대부분의 암흑 물질은 바닥 상태인 x1으로 존재한다. 은하 중심부(붉은색)와 같이 밀도가 높고 에너지가 큰 환경에서만 들뜬 상태인 x2의 비율이 더 높다. 따라서 두 변종의 충돌로 인한 소멸은 왜소 은하(청색)나 열린 우주(검은색)보다 이러한 환경에서 더 빈번하게 발생한다. © Berlin et al./ Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, CC-by 4.0 |
구체적으로, 물리학자들은 대부분의 암흑물질 입자가 낮은 에너지의 바닥 상태인 x1에 있다고 가정한다. 그러나 에너지 입력에 의해 가속되고 여기되면 입자는 약간 더 무거운 상태인 x2를 취한다. "이러한 여기 반응은 천체물리학계의 운동 에너지 분포에 따라 달라진다"고 연구팀은 밝혔다. 따라서 은하 중심부와 같이 역동적이고 질량이 큰 환경에서는 밀도가 낮고 질량이 작은 왜소은하보다 더 많은 암흑물질 입자가 들뜬다.
소멸에는 두 입자가 모두 필요
핵심은 이 시나리오에 따르면, 암흑물질 입자가 바닥 상태에 있고 여기된 γ² 입자가 충돌할 때만 소멸이 일어난다는 것이다. 베를린과 그의 동료들은 "γ² 입자가 상당수 존재하지 않기 때문에 왜소은하는 감마선을 매우 적게 방출한다"고 설명했다. 따라서 이 모델은 망원경이 왜소은하에서 소멸 신호를 아직 감지하지 못한 이유를 설명할 수 있다.
천체물리학자들은 "우리는 은하 중심부와 왜소은하에서 방출되는 감마선 사이의 상관관계가 깨진 암흑물질 모델을 제시한다"고 기술했다. 따라서 암흑물질 입자의 두 가지 상태의 존재는 현재 관측 결과뿐만 아니라 우주에서 관측되는 암흑물질 관련 다른 모순점들도 설명할 수 있을 것이다.
참고:
Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2026; doi:
10.1088/1475-7516/2026/04/017)
출처: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Sissa Medialab
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