암흑물질의 존재는 어떻게 알아냈나요?

Question

아무런 전자기파도 방출하지않아 천체망원경이나 전파망원경으로 관측이 불가능하지만 우주에 확실히 존재한다고 여기는 암흑물질을 과학자들은 어떻게 알아냈나요?

Answer 1

안녕하세요. 김재훈 과학전문가입니다.

암흑물질은 빛을 방출하지 않고, 전자기파와 같은 다른 형태의 에너지도 방출하지 않기 때문에 직접 관측할 수 없습니다. 따라서, 암흑물질의 존재를 확인하는 것은 간접적인 방법밖에는 없습니다.

암흑물질의 존재를 확인하는 방법 중 하나는 은하의 회전 속도를 관측하는 것입니다. 은하의 회전 속도는 은하의 질량에 따라 결정됩니다. 만약 은하의 질량이 은하의 회전 속도를 설명할 수 없을 정도로 작다면, 은하에 암흑물질이 존재한다는 것을 의미합니다.

다른 방법은 중력 렌즈 효과를 관측하는 것입니다. 중력 렌즈 효과는 중력이 빛의 궤도를 휘게 만드는 현상입니다. 암흑물질은 중력을 가지고 있기 때문에, 암흑물질이 있는 곳을 지나가는 빛은 휘게 됩니다. 이 휘어진 빛을 관측하여 암흑물질의 존재를 확인할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요. 강상우 과학전문가입니다.

암흑물질은 전자기파를 방출하지 않기 때문에 직접 관측이 불가능합니다. 따라서 과학자들은 암흑물질의 존재를 간접적인 증거를 통해 추론합니다.

암흑물질의 존재를 처음으로 제기한 것은 1930년대 미국의 천문학자 프랭크 휘플입니다. 그는 성단의 운동을 연구하면서, 성단 내의 별들이 서로의 중력에 의해 끌어당겨져야 하지만, 관측 결과 그렇지 않은 것을 발견했습니다. 휘플은 이 현상을 설명하기 위해, 성단 내부에 보이지 않는 질량이 존재한다는 가설을 제시했습니다.

암흑물질의 존재를 뒷받침하는 증거는 다음과 같습니다.

• 은하의 회전

은하의 나선 팔은 원심력과 중력의 균형에 의해 유지됩니다. 만약 은하의 질량이 우리가 아는 물질로만 구성되어 있다면, 나선 팔의 회전속도는 은하의 중심에서 멀어질수록 점차 느려져야 합니다. 하지만 실제 관측 결과, 은하의 나선 팔은 은하의 중심에서 멀어질수록 오히려 회전속도가 빨라지는 것을 볼 수 있습니다. 이는 은하의 중심에는 우리가 아는 물질로는 설명할 수 없는 거대한 질량이 존재한다는 것을 의미합니다.

• 은하단의 중력렌즈 효과

은하단은 수백 개에서 수천 개의 은하가 모여 있는 거대한 구조입니다. 은하단은 매우 강한 중력을 가지고 있기 때문에, 그 뒤에 있는 천체의 빛을 휘게 만드는 중력렌즈 효과를 일으킵니다. 과학자들은 은하단의 중력렌즈 효과를 연구하여, 은하단 뒤에 있는 천체의 위치와 질량을 추정할 수 있습니다. 그 결과, 은하단의 질량은 우리가 아는 물질로만 설명할 수 없는 수준인 것으로 밝혀졌습니다.

• 우주의 가속팽창

우주는 빅뱅 이후 계속해서 팽창하고 있습니다. 과학자들은 우주의 팽창 속도를 연구하여, 우주의 질량이 충분하지 않으면 우주의 팽창이 점차 느려져야 한다는 것을 알아냈습니다. 하지만 실제 관측 결과, 우주의 팽창 속도는 오히려 점차 빨라지고 있습니다. 이는 우주에 우리에게 알려지지 않은 질량이 존재한다는 것을 의미합니다.

이러한 증거들을 종합하여, 과학자들은 우주에 우리가 아는 물질 외에도 암흑물질이 존재한다고 결론지었습니다. 암흑물질은 우주의 총 질량의 약 85%를 차지하는 것으로 추정됩니다.

암흑물질의 정체는 아직 밝혀지지 않았습니다. 가장 유력한 후보로는 중성미자가 있습니다. 중성미자는 전하가 없기 때문에 전자기파를 방출하지 않습니다. 또한, 중성미자는 매우 가볍기 때문에, 우주에서 쉽게 움직일 수 있습니다. 따라서 중성미자는 암흑물질의 후보로 가장 적합하다고 할 수 있습니다.

과학자들은 암흑물질의 정체를 밝히기 위해 다양한 연구를 진행하고 있습니다. 암흑물질의 정체를 밝히는 것은 우주의 구조와 진화에 대한 이해를 높이는 데 중요한 역할을 할 것입니다.