우주 이야기 550 - 암흑 물질을 연구를 진행할 페르미

(Top: Gamma rays (magenta lines) coming from a bright source like NGC 1275 in the Perseus galaxy cluster should form a particular type of spectrum (right). Bottom: Gamma rays convert into hypothetical axion-like particles (green dashes) and back again when they encounter magnetic fields (gray curves). The resulting gamma-ray spectrum ((lower curve at right) would show unusual steps and gaps not seen in Fermi data, which means a range of these particles cannot make up a portion of dark matter.

Credits: SLAC National Accelerator Laboratory/Chris Smith)

 감마서 관측을 진행중인 나사의 페르미 임무가 암흑 물질의 후보 물질을 검출하기 위해서 임무를 연장할 계획이라고 합니다. 우리는 중력의 영향을 관측해서 사실 중력을 행사하는 물질의 80%가 별이나 은하, 가스 처럼 알려진 물질이 아니라는 사실을 밝혀냈습니다. 그 정체를 모르기 때문에 암흑물질이라고 불리는 이 물질은 우주에 있는 물질의 대부분을 차지하지만, 과학자들은 아직 그 정체를 확인하는데 실패했습니다. 참고로 우주에는 중력과 반대 작용을 하는 암흑 에너지가 존재하며 우주에 있는 물질/에너지의 대부분은 암흑 에너지가 차지하고 있습니다. 

 페르미는 고에너지 파장인 감마선에서 우주를 관측합니다. 그런데 먼 은하 중심 블랙홀에서 나오는 감마선 입자가 우주를 통과하면서 다른 입자나 에너지와 상호작용을 일으킬 수 있습니다. 이를 이용하면 보이지 않는 입자를 검출해낼 수 있을 것입니다. 

이미 과학자들은 페르미 관측 결과를 이용해서 암흑 물질의 또 다른 후보 물질인 액시온 (axion)과 유사한 입자가 존재하는 것 같다는 정보를 얻어낸 바 있습니다. 지구에서 2억 4천만 광년 떨어진 은하 NGC 1275에서 나오던 감마선이 일부 액시온과 비슷한 물질로 바뀌면서 페르미에서 검출이 되지 않았다는 것이죠. 

(The Small Magellanic Cloud (SMC), at center, is the second-largest satellite galaxy orbiting our own. This image superimposes a photograph of the SMC with one half of a model of its dark matter (right of center). Lighter colors indicate greater density and show a strong concentration toward the galaxy's center. Ninety-five percent of the dark matter is contained within a circle tracing the outer edge of the model shown. In six years of data, Fermi finds no indication of gamma rays from the SMC's dark matter.

Credits: Dark matter, R. Caputo et al. 2016; background, Axel Mellinger, Central Michigan University) 

 과학자들은 페르미가 지구에서 20만 광년 떨어진 소마젤란 은하 같은 가까이 있는 목표에서 더 상세한 관측 결과를 제시할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 어쩌면 여기에서 액시온이나 다른 암흑 물질의 후보를 추정할 단서가 발견될지도 모릅니다. 

 암흑 물질 연구는 지난 수십 년간 천체 물리학의 가장 중요한 과제였습니다. 하지만 이를 검증하려는 시도는 매번 실패로 돌아갔고 우주에 있는 중력의 대부분을 행사하는 물질의 정체는 아직도 미스터리로만 남아있습니다. 

 페르미가 과연 이 문제를 해결할 결정적인 실마리를 얻을 수 있을지는 알수 업지만, 다른 과학의 미스터리가 그랬듯이 언젠가 인류는 암흑물질의 정체를 알게 될 날이 있을 것으로 기대합니다. 

참고 

 http://www.nasa.gov/feature/goddard/2016/nasas-fermi-mission-expands-its-search-for-dark-matter