암흑물질에 대한 기존의 이론을 뒤집는 관측결과

이것은 아무도 원치 않은 결과이다. 

 

천문학자들은 거대한 중력을 가진 은하단의 충돌 이후 암흑물질덩어리가 어떤 양상을 보이는지를 관측했다.

그런데, 만약 암흑물질과 은하들이 서로간에 매달려 있는 존재라면 당연히 예측되었을 것보다도

훨씬 적은 수의 은하만이 암흑물질 중심에 남아 있는 현상이 발견되었다.

대부분의 은하들이 충돌로부터 명백하게 훨씬 멀리 떨어져 있는 위치에 존재하고 있었던 것이다.

이러한 결과는 암흑물질의 기본이론에 대한 도전이 되는데,

암흑물질의 기본이론에서는 은하단의 충돌시, 그 충돌파에도 불구하고 암흑물질의 중력으로 인해 은하들이 서로 뭉치는 것으로 예측하고 있었기 때문이다.

 

초기 관측이 이루어졌던 2007년에는 이처럼 은하단이 서로 모이지 않는 현상은 대단히 비정상적인 것으로 간주되었고,
근거 데이터의 빈약으로 인해 천문학자들간의 논쟁이 이어졌었다.

 

그러나 이번 허블우주망원경이 24억 광년 떨어진 Abell 520이라는 거대은하단의 충돌을 관측한 결과
은하끼리의 충돌과 암흑물질은 전혀 별개로 움직인다는 것이 확인되었다. 

 

이제 천문학자들에게는 이 은하단에서 너무나 괴팍하게 보이는 이 암흑물질에 대해 설명해야 하는 도전이 남게 되었다.

 

 

 

사진 1> 

거대 은하단의 격렬한 충돌로부터 생성된 Abell 520은하단의 합성사진으로서 암흑물질의 분포와, 은하, 고온의 가스로 구성된 중심부를 보여주고 있다.

가시광선 사진은 허블 우주망원경과 하와이 마우나케아 산 정상에 위치한  캐나다-프랑스-하와이 망원경(이하 CFH 망원경)으로부터 관측된 것이다.

깊은 노출을 통해 얻어진 집중되어 있는 별빛과, 고온의 가스, 암흑물질은 인공적인 색으로 표시되어 있다.

은하로부터 발생한 별빛은 CFH 망원경으로부터 얻어진 데이터로서 오랜지 색으로 표시되어 있다. 

초록색 톤으로 표현된 곳은 고온 가스를 나타내며 NASA의 찬드라 X선 망원경으로 촬영된 것이다.

이 가스들은 이곳에서 충돌이 일어나고 있음을 알려주는 증거이다.

푸른색으로 표시된 부분은 이 은하단의 중력 대부분이 밀집된 곳으로 이곳이 암흑물질이 점유하고 있는 부분이다.

암흑물질은 우리 우주 질량의 대부분을 구성하는 눈에 보이지 않는 물질이다.

암흑물질의 분표 양상은 '중력렌즈'라 불리는 현상 즉, 멀리 위치한 은하로부터 발생한 빛이 앞쪽에 위치한 거대 중력의 천체에 의해 휘어져 보이는 현상을 허블의 WFPC2로 촬영하여 그 데이터를 분석하여 유추된 것이다.

사진 중심부에 푸른색과 초록색이 뒤섞이고 있는 곳이 암흑물질 덩어리가 위치한 곳으로 고온 가스 대부분이 밀집한 곳 바로 옆이지만 은하들은 거의 눈에 띄지 않고 있다.

은하단의 중심에 위치하는 암흑물질은 이전의 관측 결과와 동일하지만 은하들이 암흑물질에 의해 서로 연결되어 충돌의 충격파 속에서도 떨어지지 않는다는 암흑물질에 대한 기존의 이론에 대해서는 도전이 되고 있다.

Abell 520은 24억 광년 거리에 위치하고 있다.

 

이번 연구의 책임자인 천문학자 James Jee의 의견은 다음과 같다.
"이번 결과는 하나의 수수께끼입니다.
 암흑물질은 우리의 예상대로 움직이지 않았고, 무슨일이 일어나고 있는지도 명확하지 않습니다. 

 은하형성과 암흑물질에 대한 이론은 과연 우리가 무엇을 보고 있는지에 대해 반드시 설명을 해야 합니다."

 

연구팀의 보고서는 Astrophysical Journal에 기재될 예정이고, 현재 온라인 판에는 이미 발표가 된 상황이다.

 

80년 전에 처음으로 탐지된 암흑물질은 은하들을 서로 뭉치게 하는 중력의 "접착제"로 간주되어왔다.

눈에 보이지 않는 이 신비한 물질은 별이나, 행성, 그리고 인간을 구성하고 있는 물질과 같은 종류의 물질은 아무것도 만들어내지 않았다.

암흑물질은 우주 질량의 거의 대부분을 차지하고 있음에도 천문학자들은 이에 대해 아는게 없는 상태이다.

다만 일반 물질에 영향을 미치는 알수 없는 중력영향을 관측함으로써 암흑물질의 존재를 추론해왔을 뿐이다.

이러한 상황은 음악은 들리는데 연주를 하는 밴드는 찾을 수 없는 상황이라 말할 수 있다.

 

암흑물질을 연구하는 한가지 방법은 우주의 거대한 구조물인 은하단간의 충돌을 분석하는 것이다.

천문학자들은 거대 은하단들이 충돌할 때, 은하들이 마치 끈에 묶인 개처럼 암흑물질에  쭈욱 붙어 당겨지게 될 것이라고 기대했다.

그러나 은하간 가스구름들만이 서로 뭉쳐져 감속되었고, 충돌의 잔재로서 남아 있는 상태이다.

 

암흑물질에 대한 기존 이론은 총알은하단(the Bullet Cluster)이라고 부르는 거대한 두개 은하단의 대규모 충돌로부터 관측된
가시광선과 X선 관측자료를 기반으로 지지된 이론이었다.

 

이 우주적 충돌 사건은 암흑물질이 어떻게 동작하는지에 대한 전형적인 교과서가 되었다.

그러나 Abell 520에 대한 연구는 암흑물질의 행동양상이 그닥 단순하지만은 않음을 밝혀주었다.

 

Abell 520에 대한 최초 관측에서 이 천체의 중심부에 암흑물질과 고온의 가스가 풍부하게 밀집되어 있음을 발견했으나
이 지역에서 일반적으로 관측되던 은하들이 더 이상 존재하지 않음이 밝혀졌다.

 

NASA의 찬드라 X선 망원경이 고온의 가스를 관측했다.

 

사진2> 찬드라 X선 망원경이 수집한 Abell 520의 고온가스분포

 

 

천문학자들은 중력렌즈라고 불리는 효과, 즉, 먼 거리에 존재하는 은하들로부터 출발한 빛이 이 미스테리의 천체에 의해 구부러지는 현상을 측정함으로써 암흑물질의 분포를 유추하는데, 하와이 마우나 케아의 정상에 있는 CFH 망원경과 스바루 망원경을 이용하곤 했다.

 

그리고 천문학자들은 이 우주적 수수께끼의 비밀을 밝혀내기 위해 허블의 WFPC2로 관측방법을 변경했다.

그러나 유감스럽게도 허블의 관측자료는 이전 발견을 확정하는데에 그쳤다.

 

천문학자들은 중력렌즈 기술을 통해 성단에 존재하는 암흑물질의 분포를 그려왔다.

 

"우리가 지금까지 암흑물질에 대해 이해한 모든 성과와 한계에도 불구하고 Abell 520과 같은 천체들의 관측은 우리를 겸손하게 만듭니다.
매 순간마다 우리는 한 발자국도 못 내딛는 정체상태에 빠졌습니다."
팀의 수석 이론가인 Brithis Columbia 대학의 Arif Babul은 난해한 이번 연구결과 를 이렇게 토로했다.  

 

사진 3> 하와이 마우나케아 산 정상의 CFH 망원경으로 수집한 Abell 520의  별 분포도

 

 

Abell 520이 이상한 천체인건 아닐까?

뭔가 결점이 있는 암흑물질인 것은 아닐까?
Jee는 아직은 이것을 얘기하기에는 성급하다고 생각한다.

"암흑물질의 분포가 매핑된 초거대 속력의 충돌을 겪고 있는 은하단의 예로  우리에게 알려진 것이 6개쯤 되는 것으로 알고 있습니다.
그러나 이중에서 총알 은하단과 Abell 520은 서로에 대해 명확히 반대현상을 보여주고 있죠.
이 두 개의 충돌 사건에 대해 설명할 수 있는 하나의 이론은 아직 존재하지 않습니다. 우리는 더 많은 예가 필요하다고 생각합니다."

 

연구팀은 이번 발견을 설명하기 위해 6개의 가정을 제안했으나 이들 각각의 설명은 아직 천문학자들들 사이에서 확정되지 못하고 있다.

 

"이건 독배를 든것과 같습니다."
팀 멤버이자, 2007년 Abell 520에 대한 최초 연구를 이끈 샌프란시스코 주립 대학의 Andisheh Mahdavi는 이와 같이 말했다.

 

이러한 불일치를 설명하는 하나의 가능성은 Abell 520이 총알은하단보다  훨씬 복잡한 중력 상호작용을 겪고 있다는 가정이다.
총알 은하단으로 알려진 은하단이 단지 두 개의 은하단이 충돌하고 있음에 반해 Abell 520은 세 개의 은하단이 충돌하고 있기 때문이다.

또 하나의 가정은 어떤 암흑물질들은 마치 눈뭉치가 뭉치듯이, 천문학자들의 표현을 빌자면 "끈적끈적"한 성격을 가지고 있거나 일반물질들처럼 서로 충돌을 하게 되면서 속도가 떨어지는 것이라는 가정이다.

 

그러나 암흑물질의 거품은 서로 충돌이 있더라도 일체 감속을 겪지는 않는 것으로 생각되고 있다.
이러한 가정은 어떤 암흑물질들은 스스로 상호작용을 하면서 은하단의 충돌 동안 뒤로 물러서 있는 현상을 제안하고 있다.

 

사진 4> 허블 우주망원경으로부터 얻은 중력렌즈현상을 분석하여 유추한 암흑물질의 분포 양상

 

 

 

또 다른 가정은 암흑물질의 중심에 아주 많은 은하들이 몰려있다는 가정이다.

다만 이들이 허블이 관측하기에도 너무나 희미할 뿐이라는 것이다.

 

그렇다면 이 은하들은 아마도 다른 일반 은하들보다는 훨씬 적은 수의 별들로 구성된 것일 수도 있다.

허블의 관측데이터로 무장한 프로젝트 팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서 이 충돌일화를 재현할 수 있기를 바라고 있다.

만약 재현이 된다면 암흑물질의 기이한 행동을 이해하는 단서가 될 수 있을 것이다.

 

 

사진 5> Abell 520의 가시광선 사진, 허블우주망원경과 하와이 마우나케아의 CFH 망원경으로 촬영되었다.

 

* '허블사이트'폴더에는 허블공식사이트(http://hubblesite.org) 의 뉴스센터 자료를 번역,게시하고 있습니다.
   본 내용은 2012년 3월 2일 발표된 뉴스입니다.

 

참고 : 총알은하단(Bullet Cluster)이라는 이름으로 알려져 있는 은하단 IE 0657-556에 대한 포스팅

        https://big-crunch.tistory.com/12345700

 

원문>

Dark Matter Core Defies Explanation in Hubble Image

It was the result no one wanted to believe. Astronomers observed what appeared to be a clump of dark matter left behind during a bizarre wreck between massive clusters of galaxies.

The dark matter collected into a "dark core" containing far fewer galaxies than would be expected if the dark matter and galaxies hung together. Most of the galaxies apparently have sailed far away from the collision. This result could present a challenge to basic theories of dark matter, which predict that galaxies should be anchored to the invisible substance, even during the shock of a collision.

The initial observations, made in 2007, were so unusual that astronomers shrugged them off as unreal, due to poor data. However, new results from NASA's Hubble Space Telescope confirm that dark matter and galaxies parted ways in the gigantic merging galaxy cluster called Abell 520, located 2.4 billion light-years away.

Now, astronomers are left with the challenge of trying to explain dark matter's seemingly oddball behavior in this cluster.

"This result is a puzzle," said astronomer James Jee of the University of California, Davis, leader of the Hubble study. "Dark matter is not behaving as predicted, and it's not obviously clear what is going on. Theories of galaxy formation and dark matter must explain what we are seeing."

A paper reporting the team's results has been accepted for publication in The Astrophysical Journal and is available online.

First detected about 80 years ago, dark matter is thought to be the gravitational "glue" that holds galaxies together. The mysterious invisible substance is not made of the same kind of matter that makes up stars, planets, and people. Astronomers know little about dark matter, yet it accounts for most of the universe's mass.

They have deduced dark matter's existence by observing its ghostly gravitational influence on normal matter. It's like hearing the music but not seeing the band.

One way to study dark matter is by analyzing smashups between galaxy clusters, the largest structures in the universe. When galaxy clusters collide, astronomers expect galaxies to tag along with the dark matter, like a dog on a leash. Clouds of intergalactic gas, however, plow into one another, slow down, and lag behind the impact.

That theory was supported by visible-light and X-ray observations of a colossal collision between two galaxy clusters called the Bullet Cluster. The galactic grouping has become a textbook example of how dark matter should behave.

But studies of Abell 520 showed that dark matter's behavior may not be so simple. The original observations found that the system's core was rich in dark matter and hot gas but contained no luminous galaxies, which normally would be seen in the same location as the dark matter. NASA's Chandra X-ray Observatory detected the hot gas. Astronomers used the Canada-France-Hawaii and Subaru telescopes atop Mauna Kea to infer the location of dark matter by measuring how the mysterious substance bends light from more distant background galaxies, an effect called gravitational lensing.

The astronomers then turned Hubble's Wide Field Planetary Camera 2 to help bail them out of this cosmic conundrum. Instead, to their chagrin, the Hubble observations helped confirm the earlier findings. Astronomers used Hubble to map the dark matter in the cluster through the gravitational lensing technique.

"Observations like those of Abell 520 are humbling in the sense that in spite of all the leaps and bounds in our understanding, every now and then, we are stopped cold," explained Arif Babul of the University of Victoria in British Columbia, the team's senior theorist.

Is Abell 520 an oddball, or is the prevailing picture of dark matter flawed? Jee thinks it's too soon to tell.

"We know of maybe six examples of high-speed galaxy cluster collisions where the dark matter has been mapped," Jee said. "But the Bullet Cluster and Abell 520 are the two that show the clearest evidence of recent mergers, and they are inconsistent with each other. No single theory explains the different behavior of dark matter in those two collisions. We need more examples."

The team has proposed a half-dozen explanations for the findings, but each is unsettling for astronomers. "It's pick your poison," said team member Andisheh Mahdavi of San Francisco State University in California, who led the original Abell 520 observations in 2007. one possible explanation for the discrepancy is that Abell 520 was a more complicated interaction than the Bullet Cluster encounter. Abell 520 may have formed from a collision between three galaxy clusters, instead of just two colliding systems in the case of the Bullet Cluster.

Another scenario is that some dark matter may be what astronomers call "sticky." Like two snowballs smashing together, normal matter slams into each other during a collision and slows down. But dark matter blobs are thought to pass through each other during an encounter without slowing down. This scenario proposes that some dark matter interacts with itself and stays behind when galaxy clusters collide.

A third possibility is that the core contained many galaxies, but they were too dim to be seen, even by Hubble. Those galaxies would have to have formed dramatically fewer stars than other normal galaxies. Armed with the Hubble data, the group hopes to create a computer simulation to try to reconstruct the collision, hoping that it yields some answers to dark matter's weird behavior.

CONTACT

Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
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