암흑물질의 역사 1

암흑물질

 

암흑물질은 말 그대로 빛을 흡수하지도 발하지도 않아서 빛을 통해 관측할 수 없는 미지의 질량, 물질이라고 합니다 빛으로 관측할 수 없는 암흑물질의 역사에 대해 설명하도록 하겠습니다

 

암흑물질

 

암흑 물질의 역사 

19세기말 윌리엄 톰슨 켈빈이라는 물리학자가 있었습니다 톰슨은 우리 은하수 속의 별들을 연구하기 시작하였습니다 그의 연구 방식에는 예를 들어 태양계 주변 별들이 은하계 전체 중력으로 인해 현재까지 궤도를 돌고 있습니다 그러면 별들이 얼마나 빠르게 돌고 있는지 속도만 잴 수 있다면 은하계의 전체 중력을 파악할 수 있다고 생각을 합니다 이런 생각을 가지고 별들의 움직임을 관측하기 시작하였습니다 그리고 질량까지 계산을 해봅니다

 

하지만 관측 결과 톰슨의 예상보다 별들의 이동속도가 너무 빨랐습니다 이렇게 빠르게 돌고 있는 은하수 속의 별의 움직임을 설명하려면 아주 무거운 질량이 필요합니다 하지만 실제 은하수 속에 발견되는 별들은 예외로 종류가 별로 없었습니다 그래서 당시 톰슨은 "우리 은하수 속에 밝게 빛나지 않은 어두운 별들이 숨어있나 보다"라고 Dark Star의 존재 가능성을 제시하였습니다

 

크누트 룬드마크

 그리고 시간이 지나서 1930년대 스웨덴의 천문학자 크누트 룬드마크(Knut Emil Lund mark)는 당시 새롭게 발견되고 있던 우리 은하계 바깥 외부 은하의 움직임과 은하의 질량을 측정하기 시작했습니다 은하의 질량을 측정하는 것은 은하가 얼마나 밝게 빛나는지 은하의 전체 밝기를 보는 것입니다 만약 별이 밝게 빛나고 있으면 태양 같은 별들이 어느 정도 개수가 있는지 알 수 있다는 것입니다 측정한 밝기를 가지고 별의 질량 곱하기 개수를 하면 기본적인 은하의 질량을 측정할 수 있습니다 이렇게 구한 질량을 '광도 질량'이라고 부릅니다 룬드마크가 질량의 종류에 대해 연구해 본 결과

 

광도 질량보다 중력 질량이 10~100배까지 무겁다는 사실을 발견하게 되었습니다 천문학에서 이 비교를 "질량 : 광도비"라고 합니다

 

광도 질량 분의 중력 질량의 비율이 10배에서 100배까지 높았다는 건 밝기에는 기여하고 있지 않지만 중력에만 기여하는 이상한 질량의 존재가 있다는 사실을 발견했습니다 이걸 통해 룬드마크는 밝게 빛나지 않는 이상한 물질들이 은하계를 가득 채우고 있다는 것을 추정하였습니다

 

하지만 이 당시까지만 해도 천문학자들은 지금 우리가 이야기하고 있는 신비로운 암흑물질 같은 걸 생각한 것은 아니었습니다 대신 "행성, 혜성, 소행성 아니면 블랙홀 같이 빛을 내지 않는 땅땅한 작은 천체들이 되게 많이 생성되었나 보다" 이런 정도로만 생각을 하였습니다

 

프리츠 츠비키

1933년 스위스 출신 천문학자 프리츠 츠비키는 너무나 중요한 발견을 하게 되었습니다

은하 하나 단위가 아닌 은하가 여러 개 모여있는 은하단에서도 미지의 물질이 생기는 비슷한 관측을 합니다 바로 '머리털자리 은하단' 1,000개가 넘는 은하들로 구성된 은하단이 머리털자리에 있기 때문에 그 별자리의 이름을 따서 명명하였습니다

 

마찬가지로 은하 속의 별들의 움직임을 은하의 중력이 결정하고 있다면 은하단 속의 은하들의 움직임도 은하단 전체 중력이 결정하고 있다는 사실을 발견하였고, 이 은하단 속의 은하들의 속도를 재보기 시작합니다 그런데 놀랍게도 은하들이 지나치게 빠른 속도로 돌고 있었습니다 이렇게 빠른 속도로 돌고 있다면 은하단의 중력을 벗어나 다 흩어져 버렸어야 했습니다

 

하지만 생각과 다르게 안정적으로 움직이는 은하들이 있었습니다 은하단의 전체 중력이 그리 무거워 보이지 않았지만 빛을 내지 않는 미지의 물질이 더 강한 중력으로 은하들을 붙잡고 있다고 추정을 합니다 이 당시 천문학자들이 발견했던 것은 보기보다 무거운 은하단 안에 있는 은하들이었습니다 이 은하들이 안 보이는 미지의 물질을 품고 있다는 것을 발견합니다

 

호레이스 밥콕

1939년 미국의 천문학자 호레이스 밥콕 (Horace Babcock)이라는 천문학자는 안드로메다은하를 관측합니다 안드로메다은하 속에 별들을 관측하고 마찬가지로 별들의 속도도 측정했습니다 처음에 별들의 속도를 측정할 때 밥콕은 안드로메다 속의 별로 속도를 재도 똑같을 거라고 생각했습니다

 

왜냐하면, 은하를 보면 은하 중심만 밝게 보입니다 태양계처럼 대부분의 은하 질량은 은하 중심부에 몰려 있을 것이라고 추측했습니다 또한 은하 정중앙으로부터 외곽으로 갈수록 별들의 속도도 빠르게 내려갈 것이라고 추측을 했습니다 하지만 실제 관측 결과는 내려가지 않았고, 은하계 외곽으로 가도 계속 빠른 속도를 유지하고 있던 것입니다 이것은 보이지 않는 질량이 높은 밀도로 존재하기 때문이었습니다 

 

다음은 암흑물질의 역사 2에 대해 설명하도록 하겠습니다