시험&논문용 <암흑물질> 개념과 본질, 탐지방법, 전세계의 연구경쟁

우주의 26.8%를 차지하며 우주의 유령이라 불리는 암흑물질의 개념과 특성을 살펴봅니다. 과학자들이 개발한 세 가지 탐지 방법과 미스터리 물질을 풀기 위한 전 세계의 연구 경쟁 현황을 살펴봅니다.

 

 

암흑 물질의 개념과 본질

 

우리는 얼마나 많은 사람들이 실제로 유령이 있다고 믿는지 모릅니다. 하지만 우주에는 분명히 유령이 있습니다. 그러나 핼러윈 귀신과는 아주 다릅니다. 그것은 '다크 매터'라고 불리는 암흑 물질입니다. 암흑물질이라는 우주의 유령은 분명히 존재하지만 우리 눈에 보이지는 않습니다. 우주에 인간이 만지거나 관찰할 수 없는 물체가 있다는 증거는 1930년대부터 꾸준히 제시되어 왔습니다. 하지만, 90년이 지난 지금까지, 인류는 아무것도 발견하지 못했습니다. 그래서 지금부터 암흑 물질이 무엇인지, 그리고 정부가 왜 이 유령 같은 물질을 찾기 위해 그렇게 많은 돈을 투자하는지 살펴보도록 하겠습니다. 지구, 태양, 달, 수성, 금성, 화성 등 우리가 알고 있는 우주는 전체 우주의 4.9%에 불과합니다. 생명과 물질은 물론 밤하늘을 수없이 채운 별들도 그 일부에 불과합니다. 반면 암흑 물질은 우주의 26.8%를 차지할 것으로 예상됩니다. 우리가 알고 있는 것은 물질의  5배가 넘지만 눈에는 보이지 않아 '우주 유령'이라는 별명이 붙었습니다. 보이는 것이 전부는 아닙니다. 왜 과학자들은 보이지 않는 존재들이 있다고 말합니까. 구슬을 끈에 매달아 그것을 돌리는 것을 상상해 보세요. 강한 힘이 가해지면 구슬이 빠르게 회전하고 약한 힘이 가해지면 구슬이 천천히 회전합니다. 태양계에서, 태양은 끈을 돌리는 손의 힘이고, 지구를 포함한 행성들은 구슬입니다. 행성들이 태양에 가까울수록, 그것은 더 강력하고 더 빨리 태양 주위를 움직입니다. 은하도 마찬가지입니다. 별이 은하 중심에 가까울수록 공전 속도는 빨라집니다. 하지만, 은하의 관측은 그 별의 궤도를 도는 속도가 과학자들의 생각하는 속도와 다르다는 것을 보여주었습니다. 은하 중심에서 거리가 멀어질수록 궤도 속도는 느려져야 하지만 실제로는 중심에서 멀리 떨어져 있어도 궤도 속도는 비슷했습니다. 또 다른 보이지 않는 힘이 은하의 궤도에 영향을 미칩니다. 지구에서 멀리 떨어진 은하의 관측은 도넛처럼 왜곡된 것으로 보이며, 이는 암흑 물질의 존재에 대한 간접적인 증거이기도 합니다. 매우 먼 광원에서 나오는 빛은 은하를 통해 굴절되어 지구에서 관찰됩니다. 굴절 정도는 은하의 질량에 비례합니다. 하지만 지구상의 은하 질량을 기준으로 계산한 수치보다 수십 배 더 굴절되는 것으로 관측되고 있습니다. 은하의 질량은 눈으로 관측한 것보다 큽니다. 이 차이를 만드는 것은 암흑 물질입니다. 은하가 충돌하는 순간 암흑물질의 특성이 잘 드러납니다. 우주에서는 빛과 빛이 충돌할 때, 가스와 가스가 충돌할 때, 보이지 않는 암흑물질과 암흑물질이 충돌할 때 각각 다른 반응을 보입니다. 엑스레이 우주 망원경으로 이 장면을 포착할 수 있습니다.

 

탐지방법

우주의 26.8%를 차지하는 암흑물질은 항상 우리 주변에 존재합니다. 하지만, 그들은 다른 물질과 반응하지 않기 때문에 느끼거나 관찰할 수 없습니다. 그것은 "물질"이기 때문에, 그리고 우리가 알고 있는 다른 물질들처럼 질량을 가지고 있기 때문에, 중력에 의해 모아집니다. 암흑물질의 존재를 증명하는 증거가 속속 등장하는데, 이런 특성 때문에 암흑물질을 찾기가 매우 어렵습니다. 과학자들은 숨바꼭질에서 암흑 물질을 찾기 위한 특별한 실험 방법을 고안했습니다. 첫 번째는 산 정상에 거대한 망원경을 설치하고 육안보다 가까운 우주를 보는 것입니다. 두 번째는 우주 망원경으로 우리보다 먼 은하계에 존재하는 암흑 물질을 관찰하는 것입니다. 세 번째는 특별한 장치로 지하를 깊게 파서 암흑 물질을 찾는 방법입니다. 국내에서는 한 연구소가 강원도에 약 1천 미터 지하에 실험실을 짓고 암흑물질 탐색 연구를 진행하고 있습니다. 우주에는 매 순간 지구로 들어오는 수백 개의 입자들이 있습니다. 하지만 뮤온, 암흑 물질, 그리고 중성미자와 같이 깊은 지하로 들어갈 수 있는 입자는 거의 없습니다. 뮤온과 같은 입자들이 지하에서 어떤 신호를 방출하는지 감지하는 기술은 이미 개발되었습니다. 지하에서 관측된 신호를 분석하고 이미 알려진 것을 걸러냄으로써, 우리는 지금까지 알려지지 않았던 새로운 신호를 포착할 수 있습니다. 과학자들은 1년에 한두 번 지구상의 물질과 암흑 물질이 충돌하여 신호를 생성할 것으로 예상합니다.

전 세계의 연구 경쟁

전 세계 과학자들은 우주의 유령을 찾기 위해 거대한 연구 시설을 짓고 경쟁적으로 연구를 진행하고 있습니다. 세계 각국은 먼 우주와 깊은 지하에서 암흑 물질을 찾기 위한 연구를 진행하고 있습니다. 왜 우리는 그 실험에 그렇게 많은 돈을 소비할까요? 암흑 물질의 발견은 차기 노벨상의 유력한 후보로 여겨집니다. 암흑 물질의 발견은 곧 노벨상 수상자로 여겨지지만, 그들의 연구 목적은 노벨상에 있지 않습니다. 암흑물질에 대한 연구가 우주의 탄생, 우리가 어디서 왔는지 등 인류의 기원에 대한 해답에 더 가까이 다가갈 수 있는 열쇠가 될 수 있기 때문입니다. 인간의 삶을 편리하게 만드는 것을 목표로 하는 기술과 달리, 과학의 목적은 물리적 세계를 관찰하는 것입니다. 반복적인 연구 실패 후 암흑 물질은 결국 상식이 될 것입니다. 현재 확인되지 않은 26.8 퍼센트가 당연하게 여겨질 때까지 우주의 유령에 대한 연구가 계속될 것입니다.