우주 이야기 1300 - 아인슈타인 고리가 지지하는 암흑 물질은 이것?

(Multiple images of a background image created by gravitational lensing can be seen in the system HS 0810+2554. Credit: Hubble Space Telescope / NASA / ESA)

암흑 물질은 우주에 있는 물질의 80-85%를 차지한다고 생각됩니다. 하지만 관측할수도 없고 보이지도 않으면서 중력 이외의 힘으로는 다른 물질과 상호 작용을 하지 않습니다. 이 수수께끼의 물질을 설명하기 위해 과학자들은 수많은 가설을 세웠지만, 아직 확실한 답을 얻지는 못하고 있습니다.

암흑 물질 가설 가운데서 과학자들의 가장 큰 지지를 얻은 것 두 가지가 다소 무거운 물질인 WIMPs (weakly interacting massive particles)와 가벼운 물질인 액시온 (axion) 입니다. 다만 어느 쪽도 현재까지 만족할만한 설명을 내놓지는 못하고 있습니다.

홍콩 대학의 알프레드 암루스 (Alfred Amruth at the University of Hong Kong)와 그의 동료들은 천문학 발전에 지대한 기여를 한 아인슈타인의 고리 (Einstein ring)가 한 가지 해답을 제시할 수 있다고 보고 연구를 진행했습니다.

아인슈타인의 상대성 이론이 예측한 바에 따르면 빛은 중력에 의해 경로가 변경됩니다. 이것이 마치 렌즈처럼 작용해 중력 렌즈 현상을 일으키는데, 초점이 맞지 않는 경우 상이 자연스럽게 확대되는 대신 고리처럼 보일 수 있습니다. 이것이 중력 렌즈입니다.

연구팀은 사실상 우주에 있는 중력을 행사하는 물질의 대부분인 암흑 물질의 성질에 따라 이 중력 렌즈의 형태가 바뀔 수 있다는 점에 착안했습니다. 연구팀은 아인슈타인 고리 가운데 특히 HS 0810+2554에 초점을 맞춰 모델을 검증했습니다.

그 결과 HS 0810+2554의 형태는 WIMPs 보다 액시온 쪽이 더 가능성 높은 후보라는 점을 보여주고 있습니다. 물론 모든 결론이 난 것은 아니지만, 한 가지 가능성은 보여준 것입니다.

그런데 사실 이런 이론적인 내용보다는 아인슈타인 고리의 생김새가 고리가 아닌 생쥐처럼 생긴 듯 해서 올려 봤습니다. 이렇게 생긴 아인슈타인 고리라니 정말 특이하네요.

참고

https://phys.org/news/2023-04-einstein-distant-galaxies-closer-dark.html

Alfred Amruth et al, Einstein rings modulated by wavelike dark matter from anomalies in gravitationally lensed images, Nature Astronomy (2023). DOI: 10.1038/s41550-023-01943-9

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