우주 공간을 채운 암흑 물질(dark matter)의 실제 관측이 성공할 날이 머지않았다. 암흑 물질은 암흑 에너지(dark energy), 가시 물질(visible matter)과 더불어 광활한 우주를 구성하는 기본 물질로 여겨져 왔다.
일본 도쿄대학교 천문학자 토타니 토모노리(54) 교수 연구팀은 26일 학교 홈페이지에 게재한 관측 보고서에서 암흑 물질의 직접적 증거가 되는 감마선을 검출했다고 전했다. 연구팀은 이번 발견으로 우주 최대의 수수께끼가 5년 안에 풀릴 것으로 기대했다.
암흑 물질은 1930년대 초 스위스 천문학자 프리츠 츠비키가 처음 정의했다. 수많은 은하가 눈에 보이는 질량만으로는 설명하지 못할 만큼 빨리 움직이는 것을 알아챈 그는 은하를 하나로 묶는 추가 중력의 존재를 의심했고, 이것이 눈에 보이지 않는 암흑 물질에 의해 유지된다고 가정했다.
이후 약 1세기에 걸쳐 많은 학자가 암흑 물질을 특정하려 애썼지만 이렇다 할 성과는 없었다. 연구팀은 미 항공우주국(NASA)의 페르미 감마선 우주망원경이 얻은 관측 데이터를 통해 암흑 물질의 직접적 증거로 꼽히는 감마선을 확인했다.
토타니 교수는 "암흑 물질을 직접 관측할 수 없는 것은 그 입자가 전자기력과 상호작용하지 않고 빛을 흡수 또는 반사, 방출하지 않기 때문"이라며 "이번 분석을 통해 감마선 강도의 분포는 양성자의 약 500배 질량을 가진 윔프(WIMP)의 쌍소멸 시 예측된 수준과 일치했다. 감마선 밝기에 기반한 윔프의 쌍소멸률 추정치도 학자들이 예상한 범위였다"고 말했다.
윔프는 암흑 물질의 후보 중 하나다. 관측 사례는 아직 없지만 이론적으로 계산한 양이 간접 관찰된 암흑 물질의 양과 일치한다. 때문에 많은 학자들은 암흑 물질이 상호작용하는 무거운 입자 윔프로 구성된다고 본다.
토타니 교수는 "암흑 물질은 윔프 2개가 충돌하면 쌍소멸이 일어나고, 감마선 광자를 포함한 고에너지 입자를 방출한다는 가설을 바탕으로 연구돼 왔다"며 "페르미 감마선 우주망원경의 정보를 분석한 우리는 윔프 입자의 쌍소멸에 의해 예측되는 결과와 일치하는 감마선을 특정했다"고 설명했다.
이어 "우리은하 중심의 헤일로 구조에 광자 에너지가 20기가전자볼트(GeV)에 달하는 막대한 감마선을 검출한 사실이 드러났다"며 "이 감마선 방사 성분은 그간 검토된 암흑 물질 가설과 상당 부분 일치했다"고 덧붙였다.
연구팀은 추가 분석 과정에서 감마선 강도의 분포는 양성자의 약 500배 질량을 가진 윔프 쌍소멸 시 예상되는 수준과 일치함을 알아냈다. 감마선 밝기에 기반한 윔프의 쌍소멸 추정치도 확립된 이론적 예측 범위 내였다.
학계는 이번 측정치가 암흑 물질에 관한 다른 천문학적 연구 결과로 설명할 수 없다는 점에서 암흑 물질의 새로운 증거라고 평가했다. 토타니 교수는 "우리 실험 결과는 다른 연구를 통해 객관적으로 검증할 필요는 있다"면서도 "5년 정도면 이번 감마선이 암흑 물질에서 유래했음을 증명할 수 있을 것"이라고 자신했다.
정이안 기자 anglee@sputnik.kr
