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미스터리 전체

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12. 암흑물질 미스터리 , 암흑물질의 정체는 결국 밝혀질 수 있는가 — 탐색의 미래 암흑물질 탐색의 미래 — 정체는 결국 밝혀질 수 있는가암흑물질은 우주 에너지-질량의 약 27%를 차지한다. 그것이 무엇인지 아직 모른다. 수십 년의 탐색이 이어졌고 수십억 달러가 투입됐지만 직접적인 검출은 없었다. 그렇다면 암흑물질의 정체는 결국 밝혀질 수 있는가.암흑물질 탐색이란 암흑물질 입자를 직접 검출하거나 그 성질을 간접적으로 좁혀가는 실험과 관측의 총체다. 현재 세 방향이 동시에 진행된다. 지하 실험실의 직접 검출, 우주 망원경을 이용한 간접 관측, 가속기를 이용한 생성 탐색이다. 어느 방향에서 돌파구가 열릴지 아직 알 수 없다.답은 단순하지 않다. 실험 감도는 계속 향상되고 있고 새로운 접근 방법들이 등장하고 있다. 그러나 이론적으로는 암흑물질의 성질이 어떤 현재의 실험으로도 포착하기 어려운 ..
11. 암흑물질 미스터리 , 암흑 섹터 — 암흑물질도 자체적인 힘과 입자를 가질 수 있는가 암흑 섹터 — 암흑물질도 자체적인 힘과 입자를 가질 수 있는가암흑물질이 중력 외에 다른 힘을 갖는다면. 그리고 그 힘이 우리가 모르는 새로운 입자를 통해 전달된다면. 이것은 단순히 입자 하나를 찾는 문제가 아니다. 암흑물질 자체가 자체적인 물리학을 가진 별도의 세계, 즉 암흑 섹터(dark sector)를 이루고 있을 수 있다는 가설이다.암흑 섹터란 암흑물질이 우리가 아는 물질 세계와 분리된 채로 자체적인 힘과 입자를 가지는 체계를 이룰 수 있다는 이론적 가설이다. 우리 세계에 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력과 그것을 매개하는 입자들이 있듯, 암흑 섹터에도 암흑광자, 암흑원자 같은 구조가 있을 수 있다. 두 세계는 중력을 통해서만, 또는 극히 약한 혼합 효과를 통해 연결될 수 있다.이 가설은 검증하기 ..
10. 암흑물질 미스터리 , 암흑물질이 없으면 은하는 존재할 수 없다 — 구조 형성의 역설 암흑물질이 없으면 은하는 존재할 수 없다 — 구조 형성의 역설암흑물질은 단지 은하 바깥에 있는 무언가가 아니다. 은하가 처음 만들어지는 데 없어서는 안 될 요소였다. 빅뱅 이후 균일했던 우주에서 어떻게 은하가, 별이, 그리고 결국 우리가 만들어질 수 있었는가. 이 질문의 답에 암흑물질이 필수적으로 등장한다.암흑물질이 없었다면 은하는 존재할 수 없다는 것은 현재 우주론의 핵심 주장 중 하나다. 빅뱅 직후 일반 물질은 빛의 압력에 갇혀 중력으로 뭉치지 못했다. 반면 암흑물질은 빛과 상호작용하지 않아 그 훨씬 이전부터 독자적으로 밀도 높은 구조를 형성할 수 있었다. 이 암흑물질의 중력 씨앗이 없었다면 현재 우주의 나이 안에 오늘날과 같은 은하가 만들어질 수 없었다는 것이 시뮬레이션과 CMB 관측이 일관되게 보..
09. 암흑물질 미스터리 , 소규모 구조 문제 — 냉 암흑물질 모델이 맞지 않는 세 가지 이유 소규모 구조 문제 — 냉 암흑물질 모델이 맞지 않는 세 가지 이유냉 암흑물질(CDM, Cold Dark Matter) 모델은 우주 대규모 구조를 설명하는 데 매우 성공적이다. 코스믹 웹의 필라멘트와 보이드 분포, 은하단의 형성, 우주 마이크로파 배경 복사의 미세한 구조까지 CDM과 관측이 잘 맞는다. 그런데 스케일을 줄이면 이야기가 달라진다. 소규모 구조 문제는 CDM 모델이 왜소 은하 수준에서 보이는 세 가지 예측 불일치를 통칭한다.소규모 구조 문제란 냉 암흑물질 모델이 은하 및 왜소 은하 스케일에서 관측과 맞지 않는 세 가지 현상을 말한다. 누락 위성 문제, Too-Big-To-Fail 문제, 코어-쐐기 문제가 그것이다. 이 문제들은 CDM 모델이 완전히 틀렸다는 것이 아니라, 소규모에서의 예측이 관..
08. 암흑물질 미스터리 , 중력렌즈로 그린 암흑물질 지도 — 보이지 않는 것을 보는 법 중력렌즈로 그린 암흑물질 지도 — 보이지 않는 것을 보는 법빛을 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..
07. 암흑물질 미스터리 , 보이지 않는 우주 거미줄 — 암흑물질이 만든 대규모 구조 우주 거미줄 — 암흑물질이 만든 대규모 구조의 뼈대수억 광년 단위로 우주를 바라보면 은하들이 무작위로 흩어져 있지 않다. 거대한 실 구조로 연결되어 있다. 은하들은 필라멘트(filament)라 불리는 가닥들을 따라 줄지어 있고, 가닥이 교차하는 곳에는 은하단이 뭉쳐 있으며, 가닥 사이의 빈 공간은 아무것도 없는 거대한 보이드(void)다. 이것을 코스믹 웹(cosmic web), 즉 우주 거미줄이라고 부른다.코스믹 웹이란 우주의 은하들이 필라멘트, 시트, 보이드로 이루어진 그물망 구조를 형성하는 대규모 현상이다. 이 구조는 암흑물질이 빅뱅 직후부터 형성한 중력 골격을 따라 일반 물질이 흘러들어 만들어진 것으로, 수억 년에 걸친 중력 진화의 결과물이다.이 구조를 만들기 위해서는 일반 물질만으로는 부족하다...
06. 암흑물질 미스터리 , 액시온 — 강한 CP 문제에서 태어난 암흑물질 후보 액시온 — 강한 CP 문제에서 태어난 암흑물질 후보입자물리학에는 잘 알려지지 않은 이상한 우연이 있다. 강한 핵력을 기술하는 양자색역학(QCD) 이론에는 CP 대칭성을 깰 수 있는 항이 방정식 안에 자연스럽게 들어간다. 그런데 실험에서 강한 핵력은 CP 대칭을 거의 완벽하게 지킨다. 이론은 깨질 수 있다고 말하는데, 자연은 깨지 않는다. 이것이 강한 CP 문제다. 그리고 그 해결책으로 제안된 것이 액시온이라는 입자였다.액시온이란 1977년 물리학자 로베르토 펙케이(Roberto Peccei)와 헬렌 퀸(Helen Quinn)이 제안한 대칭성이 자발적으로 깨질 때 나타나는 가상의 입자다. 극도로 가볍고 전자기력과 거의 반응하지 않아 관측이 어렵지만, 강한 자기장 안에서 광자로 전환될 수 있다는 특성을 가진..
05. 암흑물질 미스터리 , 암흑물질 대신 중력을 바꾸면 어떻게 되는가 — MOND 이론 MOND 이론 — 암흑물질 대신 중력을 바꾸면 어떻게 되는가암흑물질의 존재를 가정하지 않고 중력 법칙 자체를 조금 수정하면 어떨까. 은하 회전 곡선의 이상 현상을 설명하는 데 보이지 않는 물질이 필요한 게 아니라, 중력 공식이 특정 조건에서 달라진다면. MOND 이론은 이 발상에서 출발한다.MOND란 Modified Newtonian Dynamics, 즉 수정 뉴턴 역학의 약자다. 이스라엘 물리학자 모르데하이 밀그롬(Mordehai Milgrom)이 1983년 제안한 이 이론은, 중력 가속도가 어떤 임계값 이하로 작아지면 뉴턴 역학이 수정된다고 본다. 이 수정이 은하 외곽부처럼 중력이 극도로 약한 환경에서 발동하면, 보이지 않는 물질 없이도 평탄한 회전 곡선을 설명할 수 있다.수십 년이 지난 지금, MO..

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