08. 암흑물질 미스터리 , 중력렌즈로 그린 암흑물질 지도 — 보이지 않는 것을 보는 법

중력렌즈로 그린 암흑물질 지도 — 보이지 않는 것을 보는 법

빛을 내지 않고 흡수하지도 않는 물질을 어떻게 볼 수 있을까. 직접 볼 수는 없지만, 그것이 주변에 미치는 영향을 측정하면 된다. 암흑물질은 질량을 가지며, 질량은 주변의 빛을 휘게 한다. 이것이 중력렌즈(gravitational lensing)다. 암흑물질도 빛을 굴절시키고, 그 굴절 패턴을 분석하면 암흑물질이 어디에 얼마나 있는지 추적할 수 있다.

중력렌즈란 질량이 주변 시공간을 휘어 배경 천체의 빛을 굴절시키는 현상이다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 예측하며, 렌즈 역할을 하는 질량이 클수록 굴절이 강해진다. 이 굴절을 분석하면 빛을 내지 않는 암흑물질의 위치와 양을 간접적으로 측정할 수 있다.

중력렌즈를 이용한 암흑물질 지도 제작은 현재 가장 활발한 암흑물질 연구 방법 중 하나다. 허블 우주 망원경, 제임스 웹 우주 망원경, 그리고 DES, HSC 같은 대형 탐사 프로젝트들이 이 방식으로 우주의 물질 분포를 측정하고 있다.

 

허블 망원경 중력렌즈 — 은하단 주변에 호 모양으로 왜곡된 배경 은하들

강한 중력렌즈와 약한 중력렌즈 — 두 방법의 원리와 차이

중력렌즈에는 렌즈 효과의 강도에 따라 두 종류가 있고, 각각 다른 방식으로 암흑물질 분포를 측정한다.

강한 중력렌즈(strong lensing)는 질량이 매우 크고 배경 광원이 렌즈와 가까이 정렬될 때 나타난다. 배경 은하가 호(arc) 모양으로 크게 늘어나거나, 여러 개의 허상으로 분리되거나, 아인슈타인 링 형태로 나타난다. 이 형태를 분석하면 렌즈 역할을 하는 질량의 분포를 정밀하게 재구성할 수 있다. 총알 성단에서 가스와 질량의 분리를 확인한 것도 강한 중력렌즈 분석이었다.

약한 중력렌즈(weak lensing)는 렌즈 효과가 너무 미약해 개별 은하의 형태 변화가 거의 보이지 않는다. 그러나 수십만~수백만 개의 배경 은하를 통계적으로 분석하면 패턴이 드러난다. 렌즈가 없다면 은하들의 모양은 통계적으로 무작위여야 한다. 그런데 특정 방향으로 미묘하게 늘어난 은하들이 모여 있다면 그 앞쪽에 질량이 있다는 뜻이다. 이 전단 효과(shear)를 분석하면 더 넓은 영역의 암흑물질 분포를 지도로 만들 수 있다.

두 방법은 상호 보완적이다. 강한 렌즈는 은하단 중심부의 질량 분포를 정밀하게 측정하는 데 유리하고, 약한 렌즈는 더 넓은 하늘 영역의 물질 분포를 통계적으로 그리는 데 적합하다.

허블 망원경이 만든 암흑물질 지도와 은하단 내부 구조

허블 우주 망원경은 수많은 은하단의 중력렌즈 효과를 관측하면서 암흑물질 지도 제작에 핵심적인 역할을 했다. 프론티어 필드(Frontier Fields) 프로그램을 통해 여섯 개의 거대 은하단을 깊게 관측했고, 각 은하단 내부의 질량 분포를 상세히 재구성했다.

이 지도에서 가시 물질과 전체 질량 분포를 비교하면 차이가 명확하다. 가시 물질이 있는 곳에도 암흑물질이 있지만, 가시 물질보다 훨씬 넓게 퍼져 있고 양도 훨씬 많다. 은하단 질량의 약 80~90%가 가시 물질이 아닌 암흑물질에서 온다는 것이 이 지도들이 말하는 내용이다.

중력렌즈 지도는 암흑물질의 위치를 알려주지만 성분을 알려주지는 않는다. 그것이 어느 입자로 이루어졌는지는 지도가 말해줄 수 없다. 그러나 어디에 얼마나 있는지를 공간적으로 드러냈다는 점에서, 중력렌즈 지도는 암흑물질 연구에서 중요한 관측 기반이 된다.

 

약한 중력렌즈 암흑물질 지도 — 색상으로 표시된 우주 질량 분포

대형 탐사 프로젝트가 드러내는 우주 전체의 물질 분포

더 큰 스케일에서는 코스믹 쉬어(cosmic shear) 조사가 진행됐다. 하늘의 넓은 영역에 걸쳐 수백만 개 은하의 형태를 분석해 우주의 대규모 물질 분포 지도를 만드는 작업이다. DES(Dark Energy Survey), HSC(Hyper Suprime-Cam), KiDS(Kilo-Degree Survey) 등이 이 방식으로 수천 평방도 규모의 하늘을 분석했다.

이 지도들은 시뮬레이션에서 예측된 코스믹 웹 구조와 전반적으로 일치한다. 그런데 물질 분포의 밀도 파라미터(S8)에서 이 관측들과 우주 마이크로파 배경 복사(CMB) 관측 사이에 약간의 불일치가 보인다. CMB 기반의 값이 약한 렌즈 관측 기반의 값보다 다소 높다. 이것이 우연한 통계 오차인지, 표준 우주론 모델의 수정이 필요한 신호인지는 아직 논쟁 중이다.

유클리드(Euclid) 우주 망원경은 2023년 발사되어 운영 중이며, 루빈 천문대(Vera C. Rubin Observatory)도 곧 본격적인 하늘 탐사를 시작한다. 두 프로젝트 모두 이전보다 수십 배 넓고 정밀한 약한 중력렌즈 조사를 계획하고 있다. 더 세밀한 암흑물질 지도가 S8 불일치 문제와 우주 구조 형성 모델에 어떤 답을 줄지는 다음 10년 안에 밝혀질 것으로 기대된다.

 

유클리드 우주 망원경 — 대규모 약한 중력렌즈 조사로 암흑물질 지도 제작

마무리

빛조차 내지 않는 물질을 빛을 이용해 지도로 그린다는 방법은 역설적이면서도 강력하다. 중력렌즈는 암흑물질 연구에서 가장 직접적인 관측 도구이며, 암흑물질이 어디에 있는지를 공간적으로 드러내는 유일한 방법이다.

지도는 아직 완성되지 않았다. 다음 세대 탐사들이 더 넓고 정밀한 지도를 만들어낼 것이다. 그리고 그 지도가 우주 구조 형성의 표준 모델과 어떻게 맞는지, 어디에서 어긋나는지가 앞으로의 논쟁을 이어갈 것이다.

그 구조 형성 모델 자체에 문제가 있을 수 있다는 이야기가 다음 편이다. 냉 암흑물질 모델이 작은 규모에서 맞지 않는 세 가지 이유를 살펴본다.

 

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