천체물리학자들이 암흑물질(dark matter)이 아닌 빛으로 '여분의 중력'(extra gravity) 효과를 설명하는 논문을 발표했다.

과학전문매체 사이언스 얼러트(Science Alert)의 최근 보도에 따르면, 미국 캘리포니아의 로렌스리버모어국립연구소 출신의 플라즈마 물리학자와 독일 마인츠대학의 연구원들로 구성된 공동연구팀이 아주 작은 빛(광자)의 질량을 가정함으로써 여분의 우주 중력 효과를 만들어낼 수 있다고 주장했다. 이들의 논문은 천체물리학저널  The Astrophysical Journal 최근호에 게재됐다.

우리는 수십년 동안 암흑물질을 찾아왔지만, 아직 직접적으로 관측하지 못했다. 만약 '여분의 중력'에 의한 은하의 회전에 영향을 주는 것이 암흑물질이 아니라 작은 질량을 가진 빛(광자)라면 어떻게 될까? 연구팀의 이번 논문은 이 같은 흥미로운 가능성을 열었다. 

1978년대 미국의 천문학자 베라 루빈(Vera Rubin)은 은하들의 이상한 특징을 매우 확실하게 증명했는데, 은하의 가장자리가 원래 회전해야 할 속도보다 훨씬 빠르게 회전한다는 것이다. 이론적으로 은하의 중심으로부터 멀리 떨어질수록 별들과 성간물질의 궤도 속력은 감소해야 하며 감소 정도는 중심으로부터 거리에 비례한다.

이것을 케플러의 감소(Keplerian decline) 또는 회전속도 감소곡선이라고 부르는데 관측 결과에 따르면 우리 태양계와 같은 행성계는 매우 명확하게 이 곡선을 따른다. 하지만 대부분의 은하들은 실제로 이 곡선에서 벗어난 운동을 한다. 궤도 바깥쪽에서 회전하는 별들은 우리가 관측 가능한 물질들의 중력 효과를 고려하면 느리게 회전해야 하지만 실제로 훨씬 더 빠르게 회전한다는 것이다.

그래서 천문학자들은 이 같은 '여분의 중력' 효과를 일으키는 암흑물질(dark matter)을 가정했다. 우리는 그것의 정체를 모르며 직접적으로 측정할 수 없다. 그러나 우리가 이해한 물리학적 우주와 우리가 모은 데이터가 틀리지 않았다면, 무엇인가가 추가적인 중력을 만든다는 사실은 확실하다.

이번 연구팀에 따르면 그것이 암흑물질이 아닐 수도 있다는 것이다. 로렌스리버모어국립연구소 출신의 플라즈마 물리학자 드미트리 류토브(Dmitri Ryutov)와 마인츠대학의 드미트리 부드커(Dmitry Budker), 빅토르 플람바움(Victor Flambaum)이 새로운 가능성을 제기한 주인공들이다.

이들은 최근 논문에서 '여분의 중력 효과'를 일으키는 현상은 적어도 부분적으로는 빛의 입자(photon)로 설명할 수 있다는 주장을 제시했다. 광자가 직접 중력 효과를 일으키는 건 아니지만 중력과 매우 유사하게 행동한다는 것이다. 부드커는 “우리가 연구하는 가설적 효과는 실제 증가된 증력에 의한 결과가 아니다”라고 말했다. 이어 그는 “그렇지만 광자가 가질 수 있는 현재의 상한선보다 훨씬 작은 정도의 질량을 가졌다고 가정한다면 이 질량이 은하의 추가적인 힘을 만들어내기에 충분하며 이 힘은 대략적으로 회전속도 분포 곡선을 설명할 수 있을 만큼 충분히 강하다. 매우 신나는 결론이다”라고 전했다.

광자가 가질 수 있는 질량의 상한선은 전자의 질량을 2x10²⁴로 나눈 값보다 작다.

연구팀이 설명한 그 효과는 광자의 질량과 연관되어 있는데, 전자기적 장력에 의해 만들어진 일종의 ‘음의 압력’이라고 한다.

맥스웰-프로카 전자기학(Maxwell-Proca electrodynamics)이라 불리는 수학적 체계 관점에서 보았을 때, 이런 전자기적 장력은 추가적인 구심력을 만들어 낼 수 있고 주로 성간 가스에 많이 작용한다. 연구팀은 중력과 같이 작용하는 이 장력을 '프로카 장력'(Proca stress)이라고 부른다.

한편으로는 가스에서 만들어져 수명이 짧은 별들은 궤도를 한 바퀴 돌기도 전에 빠르게 가스로 다시 돌아간다. 이런 별들은 가스와 강하게 결합이 되어 있는데 이 때 가스에 작용하는 프로카 장력에 의해 간접적으로 이런 별들에 영향을 미칠 수 있다.

수명이 긴 별들에는 문제가 있는데, 예를 들어 태양의 경우 약 46억 년 전 태어나 은하의 중심을 기준으로 2억3천만년에 한 번씩 공전한다. 즉 은하 중심 주위를 몇 번이나 공전했다는 사실이다. 연구팀의 계산에 따르면 프로카 장력을 가정한다면 태양은 훨씬 타원의 궤도를 돌아야 한다. 타원이 될수록, 즉 원에서 멀어질수록 공전주기는 길어지기 때문이다.

그러나 실제로 그렇지는 않다. 그러므로 우주의 실제 관측 결과와 맞아떨어지기 위해서는 이론의 약간의 수정이 필요하다. 지금 당장은 암흑 물질이 현상을 잘 설명한다고 할 수 있다. 현상에 대한 다른 설명을 찾는 것이 잠재적인 가치를 지니고 있으며 나쁠 것은 없지 않은가.

부드커는 “지금 우리는 회전속도 곡선 문제를 해결할 열쇠가 꼭 광자의 질량이라고 생각하지는 않는다. 다만, 해결책의 일부가 될 수도 있다고 생각한다.” 라고 전했다. 그는 또 “우리는 암흑물질의 실체를 알지 못하는 한 열린 사고를 가져야 한다”고 말했다.

#기사 출처 : ♠Science Alert, What if It's Not Dark Matter Making The Universe's Extra 'Gravity', But Light?

♠The Astrophysical Journal, A Hypothetical Effect of the Maxwell–Proca Electromagnetic Stresses on Galaxy Rotation Curves

<우주관 오디세이 저자>(번역 : 이정훈·부산대 물리학과 졸업)

인저리타임 조송현 pinepines@daum.net 조송현의 기사 더보기

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