허블우주망원경이 포착한 유령 은하 NGC 1052-DF2. 이 은하에는 암흑물질이 없는 것으로 관측되었다. 출처: NASA, ESA, P. van Dokkum(예일대학).

암흑물질을 포함하지 않은 은하가 발견됐다. 은하를 비롯한 우리 우주에는 보통물질보다 훨씬 많은 암흑물질이 존재한다는 ‘상식’을 깨뜨리는 충격적인 발견으로 평가된다.

미국 예일대와 막스플랑크천문학연구소 등의 공동연구팀은 최근 은하 NGC 1052-DF2의 전체 질량과 별들의 운동을 면밀히 계산한 결과 이 은하 내에는 암흑물질이 존재할 여지가 전혀 없다고 발표했다. 공동연구팀의 논문은 과학학술지 네이처(Nature)에 게재되었다.

은하계 규모에서 암흑물질이 없다는 연구 결과가 나온 것은 1978년 여성 천문학자 베라 루빈(Vera Rubin)이 암흑물질의 존재를 주장한 이래 처음이다.

암흑물질은 1930년대 스위스 천문학자 프리츠 츠비키에 의해 처음 제기되었으나 한동안 잊혀졌다. 1978년 베라 루빈이 은하계 가장자리의 별들이 예상보다 더 빠른 속도로 돈다는 것을 발견하고 은하계 내부에 관찰되는 것보다 더 많은 질량, 즉 암흑물질이 존재해야 한다고 추정했다. 별들의 공전속도를 결정하는 것은 질량에 의한 중력 밖에 없기 때문이다.

이번 예일대 공동연구팀은 베라 루빈의 발견과는 달리 별들의 속도가 은하의 질량과 맞아떨어져 ‘숨은 질량’이 필요치 않았으며, 따라서 암흑물질의 존재를 가정할 필요가 없었다는 것이다.

연구팀은 허블우주망원경, 하와이 케크 관측소 망원경을 이용해 은하 NGC 1052-DF2의 구형 성단(globular clusters)이라고 불리는 10개의 매우 밀집된 성단의 움직임을 측정했다. 연구팀은 이들 성단이 시속 3만6800km 미만의 비교적 낮은 속도로 움직이고 있음을 발견했다. 은하가 암흑물질을 갖고 있었다면 별들의 속도는 적어도 이보다 3배 더 빠르게 움직여야 한다. 이 은하는 다른 은하와 상호작용하지 않는다는 것이 확인됐다.

이 같은 별들의 움직임 관측을 통해 연구팀은 은하 NGC 1052-DF2의 질량을 계산했다. 별들의 움직임은 곧바로 은하 전체의 질량을 반영한다. 도쿰은 “별들의 움직임을 감안할 때 은하 내에는 이미 계산한 질량 외에 암흑물질이 존재할 여지가 없다.”고 말했다.

이번 논문의 주저자인 예일대 천문학과 피터 반 도쿰(Pieter van Dokkum) 교수는 “그동안 우리는 모든 은하가 보이지 않고 수수께끼 같은 암흑물질을 당연히 갖고 있다고 생각했다”면서 “암흑물질이 없는 은하를 발견하리라고는 정말 상상하지 못했다”고 말했다.

이번 발견은 암흑물질에 관한 이론과 은하가 어떻게 작동하는지에 대한 표준이론에 도전장을 던진다. 암흑물질은 원래 뉴턴의 운동법칙과 실제 별들의 운동 사이의 간극을 메우기 위해 추정된 물질이다. 따라서 일부 과학자들은 뉴턴의 운동법칙이 수정되어야 한다고 주장한다. 이 경우 모든 은하에 적용되어야 하는데, 은하 NGC 1052-DF2와 반대로 암흑물질이 99%를 차지하는 드래곤플라이 44도 있으니 이 주장은 설득력이 떨어진다.

또 만약 암흑물질이 실제로 존재한다면 기존 생각과 달리 은하를 구성하는 보통물질과 별개로 존재할 가능성도 열어놔야 한다. 보통물질과 암흑물질이 중력으로 뭉치지 않을 가능성도 배제할 수 없다는 말이다.

이번 연구로 인해 우리는 은하의 형성과 작동 방법이 우리가 알고 있는 것 말고도 더 있다는 사실을 인정할 수밖에 없게 되었다.

인저리타임 조송현 pinegoo3141@gmail.com 조송현의 기사 더보기

저작권자 ⓒ 인저리타임, 무단 전재 및 재배포 금지