채규현 세종대 물리천문학과 교수 연구팀, 암흑물질 문제 해결 실마리 발견

채규현 세종대학교 물리천문학과 교수. /제공=세종대

세종대학교는 이 대학 채규현 물리천문학과 교수 연구팀이 타원형은하를 통해 암흑물질 문제 해결의 새로운 실마리에 관한 논문을 미국 천문학회에서 발간하는 ‘천체물리학저널’에 발표했다고 20일 밝혔다.

채 교수 연구팀은 미국 펜실베니아 대학의 마리안젤라 베르나디, 라비 셰쓰 교수와 공동으로 이번 연구를 진행했으며 한국연구재단의 기본연구 프로그램 지원을 받아 수행했다. 또한 박사과정 대학원생인 공인택 연구원이 참여했으며 연구 결과는 지난 17일 천체물리학저널에서 출판됐다.

1970년대에 이뤄진 나선형 은하들의 정밀한 회전운동 관측은 우주에서 암흑물질의 필요성을 더욱 확고히 했고 세계의 물리학자들은 다양한 암흑물질 후보 입자들을 제시해 왔다. 지난 50년 동안 암흑물질 입자를 직간접적으로 검출하기 위한 다양한 물리실험과 천문관측에도 암흑물질 입자가 검출되지 않다가 암흑물질 문제에 대한 새로운 관점들이 발현됐다. 실제로는 존재하지 않는 ‘팬텀물질’을 찾는 대신 뉴턴과 아인슈타인의 역학이나 중력이론이 우주의 극도로 약한 중력가속도 영역에서 수정돼야 한다는 것이다. 이를 각각 변형뉴턴역학(MOND)나 변형중력(MOG)이라 일컫는다.

400년 전 요하네스 케플러가 도출한 케플러 법칙이 뉴턴의 운동법칙과 만유인력법칙의 발견과 검증에 중대한 영향을 미쳤다. 이에 천문학자들은 케플러형 법칙이 암흑물질 문제 해결에 실마리를 제공할 가능성을 염두에 두고 은하역학을 연구하고 있다. 기존의 연구는 주로 나선형은하에서 별들의 회전운동을 관측했는데 이 경우 별들이 받는 중력가속도가 지상보다 일천억 배에서 일조 배 정도 약하다. 연구팀은 나선형은하보다 10배에서 100배 정도 강한 중력가속도 영역에서 암흑물질, MOND, MOG의 여러 시나리오들이 잘 구별될 수 있음을 보였고 거대한 타원형은하들이 이러한 연구에 적합함을 주목했다.

이에 한미 공동연구진은 정확한 결과를 얻기 위해 슬로언 디지털 스카이 서베이와 아틀라스3D부터 수천의 은하들을 선별해 분석했다. 연구진이 발견한 가속도 관계식은 암흑물질이 존재한다면 그것은 아주 특별한 특성이 있음을 말해준다. 다른 한편으로는 30여년 전에 이스라엘 와이즈만 연구소의 MOND 패러다임이 타당하다면 특별한 형식만이 가능할 수 있음을 보인다. 하지만 이머전트 중력 이론과 아인슈타인 상을 받은 이스라엘의 고 베켄스테인 교수가 제안한 TeVeS 중력이론 등은 맞지 않으며 미국의 맥고우 교수 등이 나선형 은하만으로 추측한 가속도 관계식도 맞지 않음을 보였다.

채 교수는 “이번 연구 결과는 MOND나 MOG의 가능한 방향성을 상당히 좁혔고 암흑물질이 존재한다면 그것은 바리온과 아주 특별한 관계식을 갖고 있음을 암시한다”며 “향후 암흑물질 연구에 중요한 역할을 하게 될 것으로 기대된다”고 말했다. 이어 “현재 약 10배 크기의 은하샘플의 별 속도 정밀지도를 사용하여 더욱 정밀한 결과를 얻기 위한 연구가 진행되고 있다”고 전했다.