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)

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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

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참고

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

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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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