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미스터리 전체

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04. 암흑물질 미스터리 , 지하 1km에서 진행되는 가장 조용한 실험 — 암흑물질 직접 검출 암흑물질 직접 검출 실험 — 지하 1km의 극한 탐색암흑물질이 지금 이 순간에도 지구를 통과하고 있다면, 우리는 그것을 느낄 수 있을까. 암흑물질 직접 검출 실험은 이 질문에 정면으로 답하려는 시도다. 초고감도 검출기를 지하 1km 이상의 깊이에 설치하고, 암흑물질 입자가 원자핵에 충돌하는 순간을 기다린다.암흑물질 직접 검출이란 암흑물질 입자가 검출기 안의 원자핵을 건드릴 때 발생하는 극미한 신호를 포착하는 방식이다. 충돌이 일어나면 원자핵이 튕겨 나가며 빛과 전기 신호를 동시에 낸다. 이 두 신호의 비율을 분석하면 배경 잡음과 구분할 수 있다. 문제는 이 신호가 거의 없는 것에 가깝다는 점이다.XENON, LUX-ZEPLIN(LZ), PandaX 같은 최첨단 실험들이 수십 년째 가동되고 있지만 지금까지..
03. 암흑물질 미스터리 , WIMPs는 어디 있는가 — 30년 탐색이 빈손인 이유 WIMPs는 어디 있는가 — 30년 탐색이 빈손인 이유30년 동안 물리학자들이 가장 유력하다고 믿었던 암흑물질 후보가 있다. 수십 개의 실험이 그것을 찾으려 했고 수십억 달러가 투입됐다. 그런데 지금까지 아무것도 나오지 않았다. 그 후보의 이름이 WIMPs다.WIMPs란 Weakly Interacting Massive Particle의 약자로, 약하게 상호작용하는 무거운 입자를 뜻한다. 빛이나 전자기력에 반응하지 않아 직접 볼 수 없지만, 질량이 있어 중력에 영향을 주고 약한 핵력으로는 극히 드물게 다른 물질과 반응한다고 이론적으로 예측된다. 현재까지 직접 검출된 사례는 없으나, 여전히 암흑물질의 유력 후보 중 하나로 연구되고 있다.이름에 담긴 특성 때문에 오랫동안 암흑물질의 가장 자연스러운 설명으로 여..
02. 암흑물질 미스터리 , 총알 성단 — 보이지 않는 물질의 가장 강력한 증거 총알 성단이 암흑물질 증거로 인정받는 이유2006년 발표된 총알 성단(Bullet Cluster, 1E 0657-56) 합성 사진은 암흑물질 논쟁에서 하나의 전환점이 되었다. 지구에서 약 37억 광년 떨어진 이 천체는 두 은하단이 충돌한 흔적이다. 사진 속에는 분홍빛 구름과 파란빛 구름이 서로 다른 위치에 분리된 채 찍혀 있었다. 총알 성단은 암흑물질 연구에서 가장 자주 인용되는 관측 증거다.총알 성단이란 두 은하단이 충돌하는 과정에서 뜨거운 가스와 질량의 분포가 분리된 것이 확인된 천체계다. X선으로 관측되는 뜨거운 가스는 충돌 중심부에 뭉쳐 있는 반면, 중력렌즈 분석으로 추적한 질량 중심은 가스가 없는 위치에서 검출되었다. 이 분리는 가시 물질과 다르게 행동하는 어떤 물질이 있음을 시사한다.이 관측이..
01. 암흑물질 미스터리 , 은하는 왜 예상보다 빨리 도는가 — 베라 루빈과 암흑물질의 발견 은하 회전 곡선과 암흑물질 — 베라 루빈이 발견한 우주의 공백태양계에서 바깥쪽 행성일수록 느리게 공전한다는 사실은 오래전부터 알려져 있었다. 이것이 케플러의 제3법칙이고, 지금껏 한 번도 어긋난 적이 없는 규칙이었다. 그런데 1970년대 천문학자 베라 루빈은 이 법칙을 은하 전체에 적용했을 때 전혀 다른 결과를 마주했다. 은하 바깥쪽 별들은 느려지지 않았다. 은하 회전 곡선은 예상과 달리 평탄했다.암흑물질이란 전자기파로는 관측되지 않지만 중력을 통해 존재가 간접 확인되는 미지의 물질이다. 빛을 내거나 흡수하지 않아 망원경으로는 직접 볼 수 없으며, 현재 우주 전체 에너지-질량의 약 27%를 차지하는 것으로 추정된다. 은하 회전 곡선의 이상 현상은 이 암흑물질의 존재를 처음으로 강하게 시사한 관측 증거였다..
18. 블랙홀 미스터리 , 블랙홀의 내부를 다시 쓰다 — 끈이론과 퍼즈볼 가설 블랙홀의 내부를 다시 쓰다 — 끈이론과 퍼즈볼 가설블랙홀 안에는 특이점이 있다. 밀도가 무한대가 되고 시공간의 법칙이 붕괴하는 지점. 일반 상대성 이론이 내놓는 이 답은 동시에 일반 상대성 이론의 한계를 고백한다. 물리학이 작동하지 않는 지점을 이론 스스로 만들어내기 때문이다.끈이론(string theory)은 이 답을 받아들이지 않는다. 블랙홀 내부에 특이점이 있다는 것은 이론의 결론이 아니라 이론이 부서지는 지점이라는 신호다. 끈이론의 관점에서 블랙홀은 처음부터 다르게 생겼을 수 있다. 특이점도 없고, 텅 빈 내부도 없으며, 사건의 지평선의 성질도 달라진다. 이것이 퍼즈볼(fuzzball) 가설이다.블랙홀의 내부를 다시 쓴다는 것은 단순한 수정이 아니다. 지금까지 블랙홀에 대해 제기된 거의 모든 역설..
17. 블랙홀 미스터리 , 블랙홀이 암시하는 2차원 우주 — 홀로그래픽 원리 블랙홀이 암시하는 2차원 우주 — 홀로그래픽 원리방 안에 가득 찬 공기의 엔트로피를 계산하면 부피에 비례한다. 직관적으로 당연한 결과다. 공간이 두 배가 되면 담을 수 있는 정보도 두 배가 된다. 이것이 열역학이 세상을 이해하는 방식이다.그런데 블랙홀은 이 직관을 거부한다.1970년대 야콥 베켄슈타인(Jacob Bekenstein)은 블랙홀의 엔트로피를 계산했다. 엔트로피란 계가 담을 수 있는 정보의 양, 혹은 가능한 미시 상태의 수를 나타내는 물리량이다. 블랙홀의 엔트로피를 계산한 결과는 예상과 달랐다. 블랙홀의 엔트로피는 부피가 아니라 사건의 지평선의 표면적에 비례했다. 3차원 공간에 존재하는 천체의 정보량이 그것의 2차원 표면에 의해 결정된다는 것이다.이것이 홀로그래픽 원리(holographic p..
16. 블랙홀 미스터리 , 사건의 지평선은 당신을 태운다 — 방화벽 역설 사건의 지평선은 당신을 태운다 — 방화벽 역설블랙홀에 떨어지는 사람은 사건의 지평선을 통과하는 순간 아무것도 느끼지 못한다. 이것이 일반 상대성 이론이 오랫동안 말해온 내용이다. 지평선은 특별한 물리적 경계가 아니라 단지 좌표상의 경계이며, 낙하하는 사람의 관점에서 그 순간은 아무 사건도 없이 지나간다. 충분히 큰 블랙홀이라면 강한 조석력도 없다.그런데 2012년 물리학자 네 명이 이 전제를 정면으로 뒤흔드는 논문을 발표했다. 알메헤이리(Ahmed Almheiri), 마롤프(Donald Marolf), 폴친스키(Joseph Polchinski), 선리(James Sully). 이 네 사람의 이름 첫 글자를 따서 AMPS라 불리는 이 논문의 주장은 간결하고 충격적이었다. 사건의 지평선에는 방화벽(firew..
15. 블랙홀 미스터리 , 블랙홀 옆에서 별이 산다 — 극한 쌍성계의 비밀 블랙홀 옆에서 별이 산다 — 극한 쌍성계의 비밀블랙홀 바로 옆에서 별이 살고 있다. 수백만 년째, 천천히 물질을 빼앗기면서도 아직 살아 있다. 블랙홀은 모든 것을 집어삼키는 존재라는 인식과 정반대되는 이 장면이 우주 곳곳에서 실제로 관측된다.두 천체가 중력으로 묶여 서로를 공전하는 쌍성계는 우주에서 흔한 구조다. 그런데 그 쌍 중 하나가 블랙홀이라면 이야기가 달라진다. 블랙홀-별 쌍성계, 즉 X선 이진계(X-ray binary)는 우주에서 가장 극한적인 물리 조건 중 하나를 만들어낸다. 이 시스템 안에서 별은 파괴되지 않고 버티며, 그 과정에서 블랙홀은 우주에서 가장 밝은 X선 광원 중 하나가 된다. 극한 쌍성계의 비밀은 단순히 블랙홀이 별을 잡아먹는다는 이야기가 아니다. 1. 백조자리 X-1 — 블랙홀..

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