07. 블랙홀 미스터리 , 원시 블랙홀이 암흑물질의 정체일 수 있는가

원시 블랙홀이 암흑물질의 정체일 수 있는가

우주 전체 질량의 약 27퍼센트를 차지하는 물질이 있다. 빛을 내지도, 반사하지도, 흡수하지도 않는다. 전자기파로는 어떤 방식으로도 감지되지 않는다. 그러나 중력은 행사한다. 은하가 흩어지지 않고 구조를 유지하는 것, 은하단이 예상보다 훨씬 강하게 결합되어 있는 것, 우주 전체의 대규모 구조가 지금과 같은 형태를 갖추게 된 것 — 이 모든 것의 배후에 이 물질이 있다. 물리학자들은 그것을 암흑물질(dark matter)이라고 부른다.

문제는 그것이 무엇인지 아무도 모른다는 것이다. 수십 년간 가장 유력한 후보였던 WIMP(약하게 상호작용하는 거대 입자)는 대형 지하 검출기에서 반복적으로 탐색됐지만 아직 직접 검출된 적이 없다. 이 상황에서 전혀 다른 방향의 가설이 다시 주목받고 있다. 암흑물질의 정체가 우주 탄생 직후 만들어진 블랙홀, 즉 원시 블랙홀(primordial black hole)일 수 있다는 것이다.

 

원시 블랙홀, 암흑물질

1. 원시 블랙홀이란 무엇인가

원시 블랙홀은 별이 붕괴해서 생긴 블랙홀이 아니다. 빅뱅 이후 극히 초기, 우주의 나이가 1초도 채 되지 않았던 시기에 물질의 밀도 요동으로 형성됐을 것으로 추정되는 블랙홀이다. 밀도 요동이란 초기 우주에서 물질이 고르게 분포하지 않고 일부 지역에서 극도로 높은 밀도로 집중되는 현상이다. 이 밀도 차이가 충분히 크면 해당 영역이 자체 중력으로 붕괴해 블랙홀이 된다.

원시 블랙홀의 가장 특이한 점은 그 질량 범위다. 별에서 만들어지는 블랙홀은 태양 질량의 수 배 이상이어야 한다. 그러나 원시 블랙홀은 이론적으로 소행성 하나만 한 질량부터 태양 질량의 수십억 배에 이르기까지 거의 모든 크기로 존재할 수 있다. 이 넓은 질량 범위가 원시 블랙홀을 암흑물질 후보로 흥미롭게 만드는 첫 번째 이유다.

원시 블랙홀이 이 시리즈에서 특히 의미 있는 이유는, 앞서 다룬 초거대 블랙홀의 기원 문제와도 연결되기 때문이다. 은하보다 먼저 존재했던 초거대 블랙홀의 씨앗이 원시 블랙홀이었을 가능성이 제기된다. 우주 초기의 밀도 요동이 원시 블랙홀을 만들고, 그 원시 블랙홀들이 합쳐지고 성장하면서 은하 중심의 초거대 블랙홀이 됐을 수 있다는 것이다.

 

원시 블랙홀, 암흑물질의 정체

2. 가설의 근거와 한계

원시 블랙홀이 암흑물질이라는 가설이 다시 주목받게 된 직접적인 계기는 LIGO의 중력파 검출이었다. 2015년 LIGO가 감지한 블랙홀 합병 사건에서, 충돌한 두 블랙홀의 질량이 태양의 약 30배 수준이었다. 이 질량대는 기존 항성 진화 이론으로는 자연스럽게 설명하기 어려운 범위였다. 일부 연구자들은 이 블랙홀들이 별에서 만들어진 것이 아니라 원시 블랙홀일 가능성을 제기했다.

원시 블랙홀이 암흑물질 역할을 하려면 몇 가지 조건을 만족해야 한다. 충분한 양이 존재해야 하고, 현재까지 살아남아야 하며, 관측에서 배제되지 않아야 한다. 첫 번째 조건에 대해서는 초기 우주의 밀도 요동 이론이 가능성을 열어두고 있다. 두 번째 조건의 경우, 질량이 충분히 크면 호킹 복사로 증발하는 데 우주의 나이보다 훨씬 긴 시간이 걸리기 때문에 현재까지 존재할 수 있다.

문제는 세 번째 조건이다. 관측 데이터가 원시 블랙홀이 암흑물질 전체를 설명하기에는 부족하다는 결과를 반복적으로 보여주고 있다. 중력 렌즈 효과 — 천체의 중력이 뒤에 있는 빛을 굴절시키는 현상 — 를 이용한 탐색에서, 특정 질량 범위의 원시 블랙홀이 암흑물질의 대부분을 차지할 경우 관측에서 나타났어야 할 신호가 충분히 발견되지 않았다. 이 결과는 원시 블랙홀이 암흑물질의 전부일 가능성을 상당 부분 좁혔다.

그러나 일부 질량 범위, 특히 소행성 질량 수준의 작은 원시 블랙홀들은 현재 관측 기술로는 완전히 배제되지 않았다. 이 창문은 아직 열려 있다.

 

원시 블랙홀, 암흑물질

3. 탐정식 접근 — 배제의 과학

암흑물질 연구는 특이한 구조를 가지고 있다. 무엇인지 알아내는 것보다, 무엇이 아닌지를 하나씩 배제해 나가는 방식으로 진행된다. WIMP가 수십 년간 탐색되었지만 직접 검출에 실패하면서 후보군에서 점점 약해졌다. 액시온(axion), 스테릴 중성미자(sterile neutrino) 등 다른 입자 후보들도 각자의 탐색 실험에서 아직 발견되지 않았다.

원시 블랙홀은 이 맥락에서 흥미로운 위치를 차지한다. 새로운 입자를 가정하지 않아도 된다는 점에서 이론적으로 경제적이다. 이미 존재한다고 알려진 블랙홀이라는 천체를 암흑물질 후보로 보는 것이기 때문이다. 표준 물리학의 틀 안에서 암흑물질을 설명할 수 있는 몇 안 되는 가능성 중 하나다.

최근 제임스 웹 우주망원경의 데이터, 그리고 향후 LIGO의 후속 관측이 축적될수록 원시 블랙홀 가설에 대한 제약이 더 정밀해질 것이다. 완전히 배제되거나, 아니면 부분적으로 암흑물질의 구성 요소로 인정받거나. 두 방향 모두 우주 이해에 중요한 진전이 된다.

 

원시 블랙홀, 암흑물질의 정체

마무리

원시 블랙홀이 암흑물질의 정체일 수 있는가. 현재의 답은 전부는 아니지만, 일부일 가능성은 아직 닫히지 않았다는 것이다. 어쩌면 암흑물질은 단일한 하나의 존재가 아니라 여러 종류의 물질이 섞인 혼합물일 수 있다. 그 혼합물의 일부로 원시 블랙홀이 포함될 가능성은 여전히 유효하다.

블랙홀 미스터리 시리즈를 통해 다룬 것들은 모두 하나의 방향을 가리키고 있다. 블랙홀은 단순히 거대하고 어두운 천체가 아니라, 우주의 가장 근본적인 질문들이 집중되는 지점이다. 정보란 무엇인가, 시간이란 무엇인가, 우주는 어떻게 시작됐는가, 그리고 우주의 대부분을 차지하는 보이지 않는 물질은 무엇인가. 암흑물질의 정체가 밝혀지는 날, 우주론은 지금과 전혀 다른 모습으로 다시 쓰일 것이다.