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천문우주과학소식

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입자들이 하나처럼 거동하는 매우 작은 암흑물질별

  • 작성자 : KASI
  • 작성일 : 2016-01-18
  • 조회수 : 1884
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“여러분은 동화될 것이다.” 스타트렉(Star Trek)에서 보그(Borg)라고 알려진 낯설고 사악한 종족의 일원들은 마치 하나처럼 이런 위협적인 말을 곧잘 하곤 했다. 만약 암흑물질이 특정한 형태로 존재한다면 그들의 특성은 우주에 울려 퍼질 수 있을 것이고, 만약 그렇다면, 그것은 모든 입자들이 동시에 동일한 상태로 존재하는 보그와 비슷한 별을 만들 수 있을지도 모른다.

 

암흑물질은 우주에 있는 물질의 80퍼센트를 차지하지만, 우리는 직접 암흑물질을 관찰할 수 없으며 암흑물질의 성분은 수수께끼이다. 암흑물질이 엑시언(axions)이라고 불리는 입자들로 이루어졌을지도 모른다는 한 가지 이론이 있다. 보통의 물질을 이루고 있는 양성자, 중성자 및 전자와는 달리, 엑시언은 동일한 양자 에너지 상태를 공유할 수 있다. 그리고 엑시언은 중력에 의해서 서로 당기기도 하기 때문에, 함께 덩어리를 이룬다. 이러한 2가지 특성들을 함께 고려하면, 이러한 덩어리는 모든 입자들이 동일한 양자 상태를 점유하는 물질 상태인 보스-아인슈타인 응축물(Bose-Einstein condensate)의 형태로 존재할 것이라는 점이 매사추세츠공대(Massachusetts Institute of Technology)의 찬다 프리쇼드-와인스타인(Chanda Prescod-Weinstein)과 그녀의 동료들에 의해 수행된 계산결과에서 암시되었다.

 

“그것들은 하나의 슈퍼원자처럼 함께 거동한다”고 프리쇼드-와인스타인은 말했다. 그러나 그러한 덩어리는 부서지기 쉽다고 그녀는 덧붙였다. “엑시언들이 정착하기를 원하는 구조는 하나의 거대한 BEC가 아니다. 그보다는 그것들은 연구팀은 보스 별(Bose stars)이라고 부르는 더 작은 덩어리들로 분열된다”고 그녀는 말했다. 이러한 보스별들은 우주가 47,000년 밖에 되지 않았을 때 형성되었을 것이며 지금까지 생존했을 것이라고 그녀는 말했다. 그와 같은 별들은 완전히 어둡고 비교적 작은 소행성 세레스(Ceres) 정도의 크기와 그 20배 정도의 밀도를 가질 것이다.

 

암흑물질을 연구하기가 힘든 이유는 보통의 물질과는 그렇게 많이 상효작용을 하지 않기 때문이다. 그러나 엑시언 암흑물질은 만약 펄스(pulsar)의 궤도를 돌고 있다면 이론적으로 보스 별의 형태로 관찰될 수 있을 것이다. 적절한 조건에서는 펄서와 엑시언 사이의 상호작용으로 인해서 우리가 검출할 수 있는 복사가 일어날 수 있을 것이라고 프리쇼드-와인스타인은 말했다. 이것은 워싱턴대(University of Washington)에서 수행 중인 엑시언암흑물질실험(Axion Dark Matter Experiment)의 자연발생적 우주 버전과 비슷할 것이다. 엑시언암흑물질실험에서는 거대한 초전도 자석을 이용하여 엑시언을 탐색한다. “실험가들은 그러한 연구에 대해 약간 회의적일 수도 있다고 생각하지만, 우주는 우리가 생각하는 것보다는 더 기괴하다고 낙관적으로 보고 싶다”고 그녀는 말했다.

 

“대단한 논문이다. 우리는 그들의 결론에 동의한다”고 신시내티대(University of Cincinnati)의 로하나 위저워다나(Rohana Wijewardhana)는 말했다. 그의 연구팀도 비슷한 계산을 수행한 바 있다. 만약 보스 별이 지구에 충돌한다면, 우리는 그 영향력을 관찰할 수 있을지도 모른다. 걱정할 필요는 없다. 왜냐하면 보스 별은 물질과 약하게 상호작용을 할 것이므로, 보스 별 전체가 지구를 관통한다고 하더라도 우리는 단지 작은 중력 효과만을 관찰하게 될 것이기 때문이다.


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