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암흑물질은 생각만큼 끈끈하지 않다. 본문

3. 천문뉴스/ESA 허블

암흑물질은 생각만큼 끈끈하지 않다.

다락방별지기 2015. 3. 27. 22:40

아래 6개 사진들은 허블우주빛통이 촬영한 6개 충돌 은하단의 모습이다.

이들 충돌 은하단은 충돌 와중에 은하단 내에 있는 암흑물질이 어떻게 행동하는지를 연구하기 위해 관측되었다.

 

이번 연구에서는 총 72개의 거대 충돌은하단이 연구대상이었다.

연구팀은 허블우주빛통의 가시광 사진을 이용하여 충돌 이후 별들의 분포 및 암흑물질의 분포(파란색) 를 그려낼 수 있었다.

이번 연구를 통해 암흑물질이 서로간에 끼치는 상호작용이 이제까지의 생각과는 달리 거의 존재하지 않는다고 결정하게 되었다.

 

 

Credit:

NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland), R. Massey (Durham University, UK), the Hubble SM4 ERO Team and ST-ECF

사진 1> Abell 370 충돌 은하단

            사진에서 파란색으로 보이는 것이 은하단 내에 있는 암흑물질의 분포지도이다.


 

 

Credit:

NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland), R. Massey (Durham University, UK), ESO and D. Coe (STScI), J. Merten (Heidelberg/Bologna)
사진 2> Abell 2744 충돌 은하단, 사진에서 파란색으로 보이는 것이 은하단 내에 있는 암흑물질의 분포지도이다.


 

 

Credit:

NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland)and R. Massey (Durham University, UK)

사진 3> MACS J0152.5-2852 충돌 은하단, 사진에서 파란색으로 보이는 것이 은하단 내에 있는 암흑물질의 분포지도이다.

 

 

 

Credit:

NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland), R. Massey (Durham University, UK) and HST Frontier Fields 
사진 4> MACS J0416.1-2403 충돌 은하단, 사진에서 파란색으로 보이는 것이 은하단 내에 있는 암흑물질의 분포지도이다.

 

 

 

Credit:

NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland), R. Massey (Durham University, UK), Harald Ebeling (University of Hawaii at Manoa) & Jean-Paul Kneib (LAM)

사진 5> MACS J0717.5+3745 충돌은하단, 사진에서 파란색으로 보이는 것이 은하단 내에 있는 암흑물질의 분포지도이다.

 

 

 

Credit:

NASA, ESA, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland), R. Massey (Durham University, UK) and Johan Richard (Caltech, USA)

사진 6> ZwCl 1358+62 충돌은하단, 사진에서 파란색으로 보이는 것이 은하단 내에 있는 암흑물질의 분포지도이다.


 
 
암흑물질은 생각만큼 끈끈하지 않다.
 

천문학자들은 허블우주빛통과 찬드라 X선 빛통을 이용하여 은하단의 충돌 와중에 암흑 물질이 어떻게 작용하는지를 연구해왔다.
그 결과가  2015년 3월 27일 사이언스 지에 개재되었는데, 암흑물질은 이전에 생각했던 것보다 상호작용이 훨씬 덜하고 암흑물질이 반드시 모종의 역할을 수행하리라고 생각했었던 사항들에 대해서도 선택의 폭은 그다지 크지 않은 것으로 드러났다.

 

암흑물질은 우주에 대한 우리 지식을 가로막고 있는 거대한 수수께끼이다.
우주에는 눈으로 볼 수 있는 물질들보다 훨씬 많은 암흑물질이 있다.
그러나 이 암흑물질은 극도로 파악하기 어려운 실체로서 일체의 빛을 반사하지도 흡수하지도, 복사하지도 않기 때문에 전혀 보이지 않는 물질이다.
따라서 암흑물질의 존재는 오직 눈에 보이는 천체들에 미치는 중력 작용을 통해서만 알 수 있다.

 

이 신비로운 실체에 대해 알기 위해 과학자들은 눈에 보이는 물질을 실험하는 것과 유사한 방법을 통해 연구를 진행하는데, 예를 들어 암흑물질이 일반 물질들과 충돌할 때 무슨일이 일어나는지를 관측하는 것 등이 그러한 방법에 해당한다.[1]

 

이러한 이유로 과학자들은 은하들이 방대하게 몰려 있는 이른바 '은하단'이라 불리는 천체들을 관측한다.
은하단이 충돌하게 되면 은하단에 포함되어 있는 암흑물질 역시 자연스럽게 이 충돌에 포함되고, 은하단에는 충돌의 효과를 살펴볼 수 있는 충분한 양의 물질들이 존재하고 있기 때문이다.[2]

 

은하는 세 개의 주요 성분으로 구성되는데 별과, 가스 구름들, 그리고 암흑물질이 바로 그것이다.

 

충돌이 일어나는 동안 은하 전역에 퍼져 있는 가스 구름들은 서로 충돌하여 운동 속도가 느려지거나 멈춰지게 된다.
별들이 가스의 충돌 와중에 받는 영향은 훨씬 덜하다.[3]
별들 사이의 공간은 엄청난 간격을 가지고 있기 때문에 비록 두 개 별이 충돌할 때 발생하는 마찰력은 엄청난 수준이긴 할 테지만, 서로 간에 속도를 늦춰버리는 효과는 전혀 발생하지 않는다.
 
이번 논문의 주저자인 스위스 로잔 공과대학의 데이비드 하비(David Harvey)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 가스와 별들이 은하단의 충돌 와중에 어떻게 작용하는지 알고 있으며 충돌 와중에 이들이 어디서 생겨나는지도 알고 있습니다.
 암흑물질이 어떻게 행동하는지를 이 물질들과 비교함으로써 우리는 암흑물질이 실제 무엇인지를 추적할 수 있게 되는 것입니다."

 

하비와 그의 연구팀은 허블우주빛통과 찬드라 X선 빛통을 이용하여 획득한 데이터를 활용하여 72개의 거대 충돌 은하단을 연구했다.

 

대상 은하단의 충돌 사건은 서로 다른 시간에 발생했으며 이 충돌 사건이 우리에게 보여주는 단면도 서로 다르다.
어떤 경우 충돌 사건은 측면의 모습을 우리에게 보여주고 있으며 어떤 경우는 우리가 머리 위에서 바라보는 식이다 [4].

 

연구팀은 충돌 와중에 마치 별들이 그러하듯 암흑물질 역시 운동속도의 느려짐 없이 파괴적인 충돌의 한가운데를 똑바로 움직여나간다는 것을 발견했다.
별과 다른 점이라면 이 충돌의 와중에 암흑물질은 또다른 암흑물질로부터 멀리 떨어져 있어 충돌조차 일어나지 않는다는 것이다.

 

현 시점에 암흑물질에 대한 선도적인 이론은 암흑물질이 은하단 전역에 고르게 퍼져 있으며 암흑물질 입자는 서로에 대해 매우 가까이 위치하고 있다고 말하고 있다.
암흑물질의 속도가 느려지는 현상이 일체 발견되지 않은 이유는 암흑물질들이 눈에 보이는 입자들과 일체 상호작용하지 않기 때문일 뿐 아니라
심지어는 지금까지의 생각과는 달리 암흑물질 스스로도 서로 거의 상호작용을 하지 않기 때문이다.

 

연구팀의 일원인 영국 더럼 대학 리차드 메시(Richard Massey)의 설명은 다음과 같다.
"이전의 연구는 총알 은하단에서 보이는 행동과 유사한 양상을 관측해왔습니다.
 하지만 우리가 그저 하나의 예만 가지고 있다면 그것이 무엇인지를 해석하는 것은 대단히 어려운 일이죠.
 은하단의 충돌은 수억년에 걸쳐 일어나는 사건입니다. 따라서 인간이 보는 것은 그저 그 장구한 사건의 한 순간에 지나지 않죠.
 지금 우리는 훨씬 많은 은하단의 충돌을 연구하고 있으며 한조각 한조각을 이어 하나의 완전한 시나리오를 만들어냄으로써 무슨 일이 벌어지는지에 대한

 우리의 이해를 향상시켜 나가고 있습니다."
 
 
암흑물질이 일으키는 서로간의 상호작용이 이전까지 생각해 왔던 것보다 훨씬 덜 발생한다는 것을 알아냄으로서 연구팀은 암흑물질의 속성을 좀더 한정시켜 내는데 성공했다.
입자물리학의 이론가들은 계속 암흑물질의 정체를 탐구해야 하지만 자신들의 모델체계를 수립하는데 있어서 미지의 영역을 조금은 좁혀나갈 수 있게 되었다.[5]

 

암흑물질은 훨씬 많은 복잡한 속성을 가지고 있을 수 있으며 아직 연구를 필요로 하는 또 다른 유형의 여러 상호작용들이 남아 있다. 

 

이번 연구 결과는 암흑물질이 충돌와중에 운동속도를 느려지게 하는 강력한 마찰력을 만들어낸다는 측면에 있어서의 상호작용은 배제시키게 해 주었다.

 

또다른 가능성있는 상호작용은 암흑물질 입자들이 서로 마치 당구공처럼 튕겨나가는 작용을 하여 암흑물질을 충돌 와중에 멀리 던져버리거나 암흑물질 거품의 형태를 변화시킨다는 것이다.   

이것은 연구팀의 다음 과제가 될 예정이다.

 

충돌 일화를 겪고 있으면서 연구가 가능한 대상을 더 확대시키기 위해 연구팀은 은하단의 충돌보다는 훨씬 자주 발생하는 개별 은하간의 충돌을 포함하여 연구 대상을 확대시켜나가고 있다. 


하비의 결론은 다음과 같다.
"아직 암흑물질의 연구를 위한 후보군들은 여전히 남아있으며 게임은 끝난것이 아닙니다.
 그러나 우리는 조금씩 답에 가까이 다가가고 있습니다.
 이러한 우주적 규모의 거대한 입자가속기는 우리 주위를 온통 둘러싸고 있지만 아직은 손끝 너머에 있는 암흑의 세계를 결국은 우리가 넘볼 수 있도록 해 줄

 것입니다." 

 

 

Credit:

NASA/ESA/STScI/CXC, D. Harvey (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland; University of Edinburgh, UK), R. Massey (Durham University, UK), T. Kitching (University College London, UK), and A. Taylor and E. Tittley (University of Edinburgh, UK 

사진 8> 이 콜라주는 허블우주빛통과 NASA 찬드라 X선 빛통이 촬영한 6개 충돌은하단의 모습을 보여주고 있다.

            이 충돌은하단들은 충돌 와중에 은하단 내에 있는 암흑물질이 어떻게 작용하는지를 연구하기 위해 관측되었다.

            이번 연구에서는 총 72개의 충돌 은하단이 연구되었다.

            허블우주빛통이 촬영한 가시광 사진을 이용하여 연구팀은 충돌 후 별들의 분포와 암흑물질의 분포(파란색) 를 그려낼 수 있었다.
            암흑물질의 분포는 은하단의 배경에 있는 빛이 은하단을 통과하면서 만들어지는 중력렌즈 현상을 통해 추적할 수 있었다.

            찬드라우주빛통은 충돌가스(분홍색)로부터 복사되는 X선을 관측하는데 사용되었다.

            연구팀은 암흑물질들간 그리고 암흑물질과 다른 물질들간의 상호작용은 지금까시 생각했던것만큼 그리 강력하지 않다고 결론내렸다.

            사진의 은하단은 상단 좌측부터 우측 하단으로 순서대로 각각 MACS J0416.1-2403, MACS J0152.5-2852, MACS J0717.5+3745, Abell 370,

            Abell 2744, ZwCl 1358+62이다.

 

 

각주

[1] 지구에서 과학자들은 입자가속기를 이용하여 서로 다른 입자들의 속성을 알아나가고 있다.
      물리학자들은 입자를 가속하여 충돌시킴으로써 해당 물질의 본질을 탐구하고 있으며 충돌결과 잔해들이 흩어지는 궤적을 통해 그 속성을 조사하고 있다.


[2] 은하단은 뜨거운 X선 복사를 일으키는 이온화 수소 가스의 바다속에 잠겨 있는 은하들의 늪이라 할 수 있다.
      이 모든 것들은 엄청난 질량을 가진 암흑물질의 구름 속에 파묻혀 있다. 
      우주에서 가장 무거운 구조체에 해당하는 이러한 물질들간의 상호작용을 관측함으로서 암흑물질의 속성을 시험할 수 있는 것이다.


[3] 은하단의 충돌에 있어 충돌 가스간의 상호작용은 매우 강력하게 나타나지만 가스와 별의 끌림 양상은 훨씬 약하게 나타난다.
      이는 공기 중의 비누방울과 총알이 보이는 현상과 유사하다.
      비누방울은 총알보다 훨씬 더 공기와 강력한 상호작용을 겪는다.


 

[4] 은하단에서 암흑물질이 위치하는 장소를 특정하기 위해 과학자들은 은하단의 뒷편에 위치하는 은하들의 모습이 은하단의 중력에 의해 확대되거나

      뒤틀린 양상을 우선 연구한다. 
      은하단에서 눈에 보이는 물질들의 질량을 측정하는 것에 대해서는 이미 좋은 방법을 가지고 있기 때문에, 

      얼마나 많은 양의 빛이 뒤틀린 양상을 보이는지를 알게 되면 해당 지역에 얼마나 더 많은 질량의 암흑물질들이 존재하는지를 알게 된다.


[5] 암흑물질을 논하는데 있어 선호되는 이론은 암흑물질이 초대칭 입자들로 구성되어 있을 것이라는 이론이다.
      초대칭 입자 모델은 표준모델에서 말하는 입자들인 전자나 양성자, 중성자 등등이 모두 훨씬 무거운 초대칭의 짝을 가지고 있다고 가정한다.  
      비록 이에 대한 실험적 증거는 아직 존재하지 않지만 이 이론은 현재 우리가 생각하는 현실과 이론의 간극을 일부나마 메울 수 있는 이론이다. 
      초대칭 이론 중 하나는 초대칭입자가 매우 안정적이며 전기적으로는 중성이고, 표준모델에서 이야기하는 일반 입자들과 아주 약하게 상호작용하는 것으로

      가정하고 있다.
      그런데 이 속성은 암흑물질의 속성에 딱 들어맞는 속성이다. 
  

출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2015년 3월 26일 발표 뉴스
         http://www.spacetelescope.org/news/heic1506/

        
참고 : 암흑물질에 대한 각종 연구 등 우주론 관련 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
          http://blog.daum.net/bigcrunch/12346979

 

 

참고 : 다앙햔 은하단을 비롯한 각종 은하에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
       - 은하 일반 : http://blog.daum.net/bigcrunch/12346976
       - 은하단 및 은하그룹 : http://blog.daum.net/bigcrunch/12346978
       - 은하 충돌 : http://blog.daum.net/bigcrunch/12346977         
      

 

원문>

heic1506 - Science Release

Dark matter even darker than once thought

Hubble explores the dark side of cosmic collisions

26 March 2015

Astronomers using observations from the NASA/ESA Hubble Space Telescope and NASA’s Chandra X-ray Observatory have studied how dark matter in clusters of galaxies behaves when the clusters collide. The results, published in the journal Science on 27 March 2015, show that dark matter interacts with itself even less than previously thought, and narrows down the options for what this mysterious substance might be.

Dark matter is a giant question mark looming over our knowledge of the Universe. There is more dark matter in the Universe than visible matter, but it is extremely elusive; it does not reflect, absorb or emit light, making it invisible. Because of this, it is only known to exist via its gravitational effects on the visible Universe (see e.g. heic1215a).

To learn more about this mysterious substance, researchers can study it in a way similar to experiments on visible matter — by watching what happens when it bumps into things [1]. For this reason, researchers look at vast collections of galaxies, called galaxy clusters, where collisions involving dark matter happen naturally and where it exists in vast enough quantities to see the effects of collisions [2].

Galaxies are made of three main ingredients: stars, clouds of gas and dark matter. During collisions, the clouds of gas spread throughout the galaxies crash into each other and slow down or stop. The stars are much less affected by the drag from the gas [3] and, because of the huge gaps between them, do not have a slowing effect on each other — though if two stars did collide the frictional forces would be huge.

"We know how gas and stars react to these cosmic crashes and where they emerge from the wreckage. Comparing how dark matter behaves can help us to narrow down what it actually is," explains David Harvey of the École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) in Switzerland, lead author of a new study.

Harvey and his team used data from the NASA/ESA Hubble Space Telescope and NASA's Chandra X-ray Observatory to study 72 large cluster collisions. The collisions happened at different times, and are seen from different angles — some from the side, and others head-on [4].

The team found that, like the stars, the dark matter continued straight through the violent collisions without slowing down. However, unlike in the case of the stars, this is not because the dark matter is far away from other dark matter during the collisions. The leading theory is that dark matter is spread evenly throughout the galaxy clusters so dark matter particles frequently get very close to each other. The reason the dark matter doesn't slow down is because not only does it not interact with visible particles, it also interacts even less with other dark matter than previously thought.

"A previous study had seen similar behaviour in the Bullet Cluster," says team member Richard Massey of Durham University, UK. "But it's difficult to interpret what you're seeing if you have just one example. Each collision takes hundreds of millions of years, so in a human lifetime we only get to see one freeze-frame from a single camera angle. Now that we have studied so many more collisions, we can start to piece together the full movie and better understand what is going on."

By finding that dark matter interacts with itself even less than previously thought, the team have successfully narrowed down the properties of dark matter. Particle physics theorists have to keep looking, but they now have a smaller set of unknowns to work with when building their models[5].

Dark matter could potentially have rich and complex properties, and there are still several other types of interaction to study. These latest results rule out interactions that create a strong frictional force, causing dark matter to slow down during collisions. Other possible interactions could make dark matter particles bounce off each other like billiard balls, causing dark matter to be thrown out of collisions or for dark matter blobs to change shape. The team will be studying these next.

To further increase the number of collisions that can be studied, the team are also looking to study collisions involving individual galaxies, which are much more common.

"There are still several viable candidates for dark matter, so the game is not over, but we are getting nearer to an answer," concludes Harvey. "These 'Astronomically Large' particle colliders are finally letting us glimpse the dark world all around us but just out of reach."

Notes

[1] on Earth scientists use particle accelerators to find out more about the properties of different particles. Physicists can investigate what substances are made of by accelerating particles into a collision, and examining the properties and trajectory of the resulting debris.

[2] Clusters of galaxies are a swarm of galaxies permeated by a sea of hot X-ray emitting ionised hydrogen gas that is all embedded in a massive cloud of dark matter. It is the interactions of these, the most massive structures in the Universe that are observed to test dark matter’s properties.

[3] The gas-gas interaction in cluster collisions is very strong, while the gas-star drag is weak. In a similar way to a soap bubble and a bullet in the wind where the bubble would interact a great deal more with the wind than the bullet.

[4] To find out where the dark matter was located in the cluster the researchers studied the light from galaxies behind the cluster whose light had been magnified and distorted by the mass in the cluster. Because they have a good idea of the visible mass in the cluster, the amount the light is distorted tells them how much dark matter there is in a region.

[5] A favoured theory is that dark matter might be constituted of "supersymmetric" particles. Supersymmetry is a theory in which all particles in our Standard Model — electrons, protons, neutrons, and so on — have a more massive "supersymmetric" partner. While there has been no experimental confirmation for supersymmetry as yet, the theory would solve a few of the gaps in our current thinking. one of supersymmetry's proposed particles would be stable, electrically neutral, and only interact weakly with the common particles of the Standard Model — all the properties required to explain dark matter.

Notes for editors

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between ESA and NASA.

The research paper, entitled "The non-gravitational interactions of dark matter in colliding galaxy clusters", will be published in the journal Science on 27 March 2015.

The international team of astronomers in this study consists of D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland; University of Edinburgh, UK), R. Massey (Durham University, UK), T. Kitching (University College London, UK), A. Taylor (University of Edinburgh, UK), and E. Tittley (University of Edinburgh, UK).

More information

Image credit: NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Switzerland)and R. Massey (Durham University, UK)

Links

Contacts

David Harvey
École Polytechnique Fédérale de Lausanne
Lausanne, Switzerland
Tel: +41 22 3792475
Cell: +41 7946 38283
Email: david.harvey@epfl.ch

Richard Massey
Durham University
Durham, UK
Tel: +44 7740 648080
Email: r.j.massey@durham.ac.uk

Georgia Bladon
ESA/Hubble, Public Information Officer
Garching bei München, Germany
Tel: +44 7816 291261
Email: gbladon@partner.eso.org

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