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2020년 1월 15일 수요일

우주 이야기 1001 - 허블 우주 망원경이 포착한 작은 암흑 물질 덩어리



(This graphic illustrates how a faraway quasar's light is altered by a massive foreground galaxy and by tiny dark matter clumps along the light path. The galaxy's powerful gravity warps and magnifies the quasar's light, producing four distorted images of the quasar. The dark matter clumps reside along the Hubble Space Telescope's line of sight to the quasar, as well as within and around the foreground galaxy. The presence of the dark matter clumps alters the apparent brightness and position of each distorted quasar image by warping and slightly bending the light as it travels from the distant quasar to Earth, as represented by the wiggly lines in the graphic. Astronomers compared these measurements with predictions of how the quasar images would look without the influence of the dark matter clumps. The researchers used these measurements to calculate the masses of the tiny dark matter concentrations. Dark matter is an invisible substance that makes up the bulk of the universe's mass and creates the scaffolding upon which galaxies are built. Quadruple images of a quasar is rare because the background quasar and foreground galaxy require an almost perfect alignment. Credit: NASA, ESA, and D. Player (STScI))

(Each of these Hubble Space Telescope snapshots reveals four distorted images of a background quasar and its host galaxy surrounding the central core of a foreground massive galaxy. The gravity of the massive foreground galaxy is acting like a magnifying glass by warping the quasar’s light in an effect called gravitational lensing. Quasars are extremely distant cosmic streetlights produced by active black holes. Such quadruple images of quasars are rare because of the nearly exact alignment needed between the foreground galaxy and background quasar. Astronomers used the gravitational lensing effect to detect the smallest clumps of dark matter ever found. The clumps are located along the telescope's line of sight to the quasars, as well as in and around the foreground lensing galaxies. The presence of the dark matter concentrations alters the apparent brightness and position of each distorted quasar image. Astronomers compared these measurements with predictions of how the quasar images would look without the influence of the dark matter clumps. The researchers used these measurements to calculate the masses of the tiny dark matter concentrations. Hubble's Wide Field Camera 3 captured the near-infrared light from each quasar and dispersed it into its component colors for study with spectroscopy. The images were taken between 2015 and 2018. Credit: NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL) and T. Treu (UCLA))


 허블 우주 망원경이 이론적으로 예상되었던 작은 암흑 물질 덩어리를 관측하는데 성공했습니다. 우주에 중력을 행사하는 물질은 대부분 눈에 보이지 않는 암흑 물질입니다. 아직도 그 정체를 알지 못하는 암흑 물질이지만, 중력은 행사하기 때문에 과학자들은 간접적인 방법으로 그 분포를 연구하고 있습니다. 예를 들어 은하의 중력 분포나 이동 속도, 질량 등 여러 가지 요소들을 지배하는 것이 물질 보다 훨씬 많은 암흑 물질입니다. 


 하지만 별이나 은하가 없는 작은 암흑 물질 덩어리는 관측이 매우 어렵습니다. 나사 제트 추진 연구소의 안나 니렌버그 (Anna Nierenberg of NASA's Jet Propulsion Laboratory)를 비롯한 허블 연구팀은 허블 우주 망원경을 이용해 중력 렌즈 현상을 면밀히 조사했습니다. 멀리 떨어진 퀘이사나 은하에서 오는 빛이 중력을 행사하는 물질에 의해 굴절되어 나타나는 중력 렌즈 현상을 이용하면 보이지 않은 물질을 찾아낼 수 있습니다. 암흑 물질 연구에서 흔히 사용되는 방법이기도 합니다. 


 이번 연구에서는 역대 가장 작은 암흑 물질 덩어리가 관측되었습니다. 지금까지 발견된 암흑 물질은 작더라도 왜소 은하 수준 질량이었다면 이번에 발견된 덩어리들은 우리 은하 질량의 1만분의 1에서 10만 분의 1에 불과합니다. 따라서 작은 은하도 품을 수 없는 수준이며 별도 거의 없어 단독으로는 관측이 거의 불가능합니다. 연구팀은 8개의 퀘이사와 은하를 통해 이들의 존재를 증명했습니다. 


 은하와 은하단의 진화를 설명하는 이론에서 암흑 물질은 물질을 끌어오는 핵심적인 역할을 담당해 왔습니다. 여기에도 몇 가지 세부적인 가설들이 존재하는데, 차가운 암흑 물질 이론에서는 암흑 물질이 느리고 잘 움직이지 않는 입자라고 가정하고 뜨거운 암흑 물질 이론에서는 잘 움직이는 입자라고 설명합니다. 차가운 암흑 물질 이론에서는 이렇게 작은 암흑 물질 덩어리가 쉽게 생성될 수 있습니다. 따라서 이번 연구 결과는 차가운 암흑 물질 이론을 지지하는 것입니다. 


 허블 우주 망원경은 발사된 지 30년이 지난 시점에서도 여전히 맹활약하고 있지만, 그 수명은 이제 거의 다해가고 있습니다. 과학자들은 앞으로 발사될 제임스 웹 우주 망원경 등 차세대 망원경에 큰 기대를 걸고 있습니다. 제임스 웹 우주 망원경이 활약하면 이보다 더 작은 암흑 물질 덩어리도 확인할 수 있게 될 것으로 기대합니다. 


 참고 


Daniel Gilman, et al. Warm dark matter chills out: constraints on the halo mass function and the free-streaming length of dark matter with 8 quadruple-image strong gravitational lenses. DOI: 10.1093/mnras/stz3480 . arXiv:1908.06983v4 [astro-ph.CO]: https://arxiv.org/abs/1908.06983



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