암흑물질간의 상호작용인걸까?

 

Credit:ESO

 

사진 1> 이 사진은 허블우주망원경이 촬영한 Abell 3827 은하단의 모습이다.

사진 중심의 은하들을 휘감고 있는 특이한 푸른색 구조는 은하단 뒤쪽으로 훨씬 멀리 떨어져 있는 은하들의 모습이 중력렌즈 작용에 의해 연출된 것이다.

이 중심의 4개 은하들은 충돌합병이 진행중인데 그 중 한 은하의 주위를 둘러싸고 있는 암흑물질이 은하와 같이 움직이지 않고 있었다.
이는 무언가 알수 없는 현상에 의해 암흑물질간 상호작용이 발생하고 있다는 단서가 된다.

 

암흑물질간의 상호작용인걸까?

 

암흑물질이 또다른 암흑물질과 중력이 아닌 다른 방식으로 상호작용하고 있는 것으로 보이는 현상이 처음으로 발견되었다.
ESO의 초대형망원경(Very Large Telescope, 이하 VLT)과 허블우주망원경을 이용하여 수행된 충돌하는 은하에 대한 관측에서 수수께끼에 둘러싸여 있는 우주의 구성요소인 암흑물질의 본성에 대한 흥미로운 단서가 포착되었다.

VLT에 장착된 MUSE장비와 허블우주망원경을 활용하여 천문연구팀은 Abell 3827이라는 은하단에서 발생하고 있는 4개 은하의 충돌 양상을 시종일관 연구해왔다.
연구팀은 질량이 밀집해있는 지점을 추적할 수 있었고, 암흑물질의 분포를 밝은 빛을 뿜어내고 있는 은하들의 위치와 비교하였다.

 

비록 암흑물질 자체는 눈에 보이는 것이 아니지만 연구팀은 중력렌즈 현상을 통해 암흑물질이 몰려있는 위치를 연역할 수 있다.
은하간의 충돌은 훨씬 멀리 떨어져 있는 천체들의 전면에 똑바로 위치하고 선상에서 발생하였다.

 

충돌하는 은하를 둘러싸고 있는 암흑물질의 질량은 주변의 시공간을 심각하게 왜곡시키면서 훨씬 멀리 떨어진 배경의 은하로부터 오는 빛을 뒤틀어 아치 모양으로 휘어진 모습으로 보이게 만든다.

 

현재 과학자들은 모든 은하들이 암흑물질 덩어리 속에 잠겨있다고 생각하고 있다.

암흑물질의 중력이 만들어내는 억제력이 없다면 미리내와 같은 은하들은 자전에 의해 뿔뿔이 흩어지게 될 것으로 생각하고 있는 것이다.

따라서 은하의 해체가 나타나지 않으려면 우주 질량의 95%는 반드시 '암흑'으로서 존재하고 있어야 하며 이것이 여전히 수수께끼로 남아 있는 우주의 본질이다.[1]

 

이번 연구에서 과학자들은 4개의 충돌하는 은하를 관측하여 특정 암흑물질 덩어리들이 특정 은하의 뒷편에 정체되어 있는듯한 모습을 발견했다.
이 암흑물질은 은하의 뒷편 5천광년 거리에 위치하고 있다.

 

암흑물질 및 암흑물질과 연계된 은하간의 뒤처짐 현상은 충돌이 발생하는 동안 암흑물질간의 상호작용이 있다고 가정할 때 예견되는 것으로서 

아무리 미미한 정도라 하더라도 이는 중력과는 다른 힘에 의한 것이다.[2]

 

 

Credit:ESO/R. Massey

 

사진 2> 이 사진은 성단 내의 암흑물질 분포를 파란색의 등고선으로 보여주고 있다.

왼쪽 은하의 암흑물질 덩어리가 현저하게 은하 자체와는 어긋난 모습을 연출하고 있다.
이는 무언가 알수 없는 현상에 의해 암흑물질간 상호작용이 발생하고 있다는 단서가 된다. 

 

암흑물질이 중력이 아닌 다른 요소로 상호작용하는 모습이 관측된 적은 한 번도 없다.

 

논문의 수석 저자인 더램 대학 리차드 메시( Richard Massey )의 설명은 다음과 같다.
"우리는 암흑물질이 중력을 행사하는 것 외에는 스스로에 몰두하여 가만히 앉아있기만 하는 것이라고 생각해왔습니다.
그러나 만약 암흑물질이 충돌 와중에 속도가 느려진 것이라면 이는 '암흑'이라는, 우리를 감싸고 있는 우주에 숨겨져 있는 부분에서 물리체로서의 첫번째 증거를 찾은 것이 됩니다."
 
과학자들은 이러한 지체 현상을 만들어낼 수 있는 또 다른 효과에 대해 보다 더 많은 연구를 진행할 필요가 있게 될 것이라고 강조하고 있다.

보다 더 많은 은하들에게 대한 유사한 관측과 은하들간의 충돌에 대한 컴퓨터 시뮬레이션이 더 많이 이뤄지게 될 것이다.

 

연구팀의 일원인 미네소타 대학 릴리야 윌리암스(Liliya Williams) 의 설명은 다음과 같다.
"우리는 중력 상호작용을 통해 암흑물질들이 존재한다는 것을 알고 있으며 이는 우주의 상태를 규명하는데 대해 도움을 주고 있습니다.
그러나 우리가 암흑물질에 대해 실제로 알고 있는 것은 당혹스러울 정도로 얼마되지 않죠.
우리의 관측은 암흑물질이 중력이 아닌 다른 힘과 상호작용을 할 수도 있다는 점을 보여주고 있는데 이는 암흑물질의 본성에 대한 몇몇 핵심 이론들을 배제할 수도 있게 된다는 것을 의미합니다."
 

이번 연구 결과는 연구팀이 관측한 72개 은하단[3]간의 충돌에 대한 관측 결과의 후속으로 도출된 것이며 이곳에서는 암흑물질의 상호작용은 거의 존재하지 않는다는 점이 확인된 바 있다.
(참고 : https://big-crunch.tistory.com/12347841)

그러나 이번 연구 결과는 은하단의 규모에서가 아니라 개개 은하들의 움직에 관해 연구한 결과이다.

 

과학자들은 이 은하들간의 충돌이 이전에 관측된 것보다 훨씬 더 오랫동안 진행된 것일 수도 있으며 이럴 경우 오랜시간에 걸쳐서 누적되어온 힘의 아주 작은 마찰이라 하더라도 측정 가능한 지체 현상을 만들어낼 수 있다고 말하고 있다.[4]

종합하자면 암흑물질에 행동 양상에 대한 두 가지 연구 결과가 한번에 다뤄지기는 이번이 처음이다.

암흑물질은 보다 더 많은 상호작용을 할 수도, 아니면 훨씬 적은 상호작용을 할 수도 있을 것이다.

 

메시는 자신들의 연구가 두 방향에서 암흑물질로 접근하고 있는 중이며 이 두 방향에서 우리의 지식을 압박하고 있다고 말했다.

 

 

각주

[1] 천문학자들은 우주를 구성하고 있는 에너지의 총 질량비를 암흑에너지 68%, 암흑물질 27%, 그리고 일반물질 5%로 구분하고 있다. 
따라서 95%라는 수치를 차지하고 있는 이 '물질'들은 여전히 암흑상태(미지의 상태)인 것이다.

 

[2] 컴퓨터 시뮬레이션에 의하면 충돌로부터 튕겨나온 파편 중 일부가 암흑물질의 속도가 지체되는 현상을 만들 수 있는 것으로 나타났다. 
이러한 상호작용의 본성에 대해서는 아직 알려진 것이 없다.; 이러한 현상은 이미 잘 알려진 효과에 의한 것일 수도 있고 전혀 알려지지 않은 미지의 힘에 의한 것일수도 있다. 
그러나 현 상황에서 가능한 모든 예측은 이것이 중력 때문이 아니라고 말하고 있다.
이 4개의 은하들은 모두 자신을 휘감고 있던 암흑물질과는 분리되어버렸을 수도 있다. 
그런데 이 은하들 중 하나에서 제대로 된 측정 결과를 얻을 수 있는 기회가 생겼다.
이 은하는 배경 천체들과 우연히 제대로 맞아떨어지는 위치에 도열해 있어 중력렌즈 효과를 통해 제대로 된 측정이 가능했던 것이다.    
그러나 또다른 3개의 은하에서 렌즈효과를 보이는 은하들은 훨씬 더 멀리 떨어져 있어서, 이들 은하의 암흑물질의 위치에서 보이는 제약사항은 통계학적으로 중요한 결론을 도출해내기에는 너무나 느슨한 상태이다.

 

[3] 은하단은 수천개의 은하들을 품고 있는 천체를 말한다.

 

[4] 이번 연구결과에서 최대 불확실성은 충돌이 진행된 시간 규모에 있다.
암흑물질의 지체 현상을 만들어낸 마찰은 10억년 규모로 발생한 매우 미약한 힘일 수도 있고 1억년 규모로 발생한 상대적으로 강력한 힘일 수도 있는 것이다.  

출처 : 유럽 남반구 천문대(European Southern Observatory) Press Release  2015년 4월 15일자 
         http://www.eso.org/public/news/eso1514/

 

참고 : Abell 3827 은하단을 비롯한 다양한 은하에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해 조회할 수 있습니다.
       - 은하 일반 : https://big-crunch.tistory.com/12346976
       - 은하단 및 은하그룹 : https://big-crunch.tistory.com/12346978
       - 은하 충돌 : https://big-crunch.tistory.com/12346977 

참고 : 암흑물질을 비롯한 우주론에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 통해  조회할 수 있습니다.
          https://big-crunch.tistory.com/12346979

 

원문>

eso1514 — Science Release

First Signs of Self-interacting Dark Matter?

Dark matter may not be completely dark after all

15 April 2015

For the first time dark matter may have been observed interacting with other dark matter in a way other than through the force of gravity. Observations of colliding galaxies made with ESO’s Very Large Telescope and the NASA/ESA Hubble Space Telescope have picked up the first intriguing hints about the nature of this mysterious component of the Universe.

Using the MUSE instrument on ESO’s VLT in Chile, along with images from Hubble in orbit, a team of astronomers studied the simultaneous collision of four galaxies in the galaxy cluster Abell 3827. The team could trace out where the mass lies within the system and compare the distribution of the dark matter with the positions of the luminous galaxies.

Although dark matter cannot be seen, the team could deduce its location using a technique called gravitational lensing. The collision happened to take place directly in front of a much more distant, unrelated source. The mass of dark matter around the colliding galaxies severely distorted spacetime, deviating the path of light rays coming from the distant background galaxy — and distorting its image into characteristic arc shapes.

Our current understanding is that all galaxies exist inside clumps of dark matter. Without the constraining effect of dark matter’s gravity, galaxies like the Milky Way would fling themselves apart as they rotate. In order to prevent this, 85 percent of the Universe’s mass [1] must exist as dark matter, and yet its true nature remains a mystery.

In this study, the researchers observed the four colliding galaxies and found that one dark matter clump appeared to be lagging behind the galaxy it surrounds. The dark matter is currently 5000 light-years (50 000 million million kilometres) behind the galaxy — it would take NASA’s Voyager spacecraft 90 million years to travel that far.

A lag between dark matter and its associated galaxy is predicted during collisions if dark matter interacts with itself, even very slightly, through forces other than gravity [2]. Dark matter has never before been observed interacting in any way other than through the force of gravity.

Lead author Richard Massey at Durham University, explains: “We used to think that dark matter just sits around, minding its own business, except for its gravitational pull. But if dark matter were being slowed down during this collision, it could be the first evidence for rich physics in the dark sector — the hidden Universe all around us.”

The researchers note that more investigation will be needed into other effects that could also produce a lag. Similar observations of more galaxies, and computer simulations of galaxy collisions will need to be made.

Team member Liliya Williams of the University of Minnesota adds: “We know that dark matter exists because of the way that it interacts gravitationally, helping to shape the Universe, but we still know embarrassingly little about what dark matter actually is. Our observation suggests that dark matter might interact with  forces other than gravity, meaning we could rule out some key theories about what dark matter might be.”

This result follows on from a recent result from the team which observed 72 collisions between galaxy clusters [3] and found that dark matter interacts very little with itself. The new work however concerns the motion of individual galaxies, rather than clusters of galaxies. Researchers say that the collision between these galaxies could have lasted longer than the collisions observed in the previous study — allowing the effects of even a tiny frictional force to build up over time and create a measurable lag [4].

Taken together, the two results bracket the behaviour of dark matter for the first time. Dark matter interacts more than this, but less than that. Massey added: “We are finally homing in on dark matter from above and below — squeezing our knowledge from two directions.”

Notes

[1]  Astronomers have found that the total mass/energy content of the Universe is split in the proportions 68% dark energy, 27% dark matter and 5% “normal” matter. So the 85% figure relates to the fraction of “matter” that is dark.

[2] Computer simulations show that the extra friction from the collision would make the dark matter slow down. The nature of that interaction is unknown; it could be caused by well-known effects or some exotic unknown force. All that can be said at this point is that it is not gravity.

All four galaxies might have been separated from their dark matter. But we happen to have a very good measurement from only one galaxy, because it is by chance aligned so well with the background, gravitationally lensed object. With the other three galaxies, the lensed images are further away, so the constraints on the location of their dark matter too loose to draw statistically significant conclusions.

[3] Galaxy clusters contain up to a thousand individual galaxies.

[4] The main uncertainty in the result is the timespan for the collision: the friction that slowed the dark matter could have been a very weak force acting over about a billion years, or a relatively stronger force acting for “only” 100 million years.

More information

This research was presented in a paper entitled “The behaviour of dark matter associated with 4 bright cluster galaxies located in the 10 kpc core of Abell 3827” to appear in the journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society on 15 April 2015.

The team is composed of R. Massey (Institute for Computational Cosmology, Durham University, Durham, UK), L. Williams (School of Physics & Astronomy, University of Minnesota, Minneapolis, Minnesota, USA), R. Smit (Institute for Computational Cosmology, UK), M. Swinbank (Institute for Computational Cosmology, UK), T. D. Kitching (Mullard Space Science Laboratory, University College London, Dorking, Surrey, UK), D. Harvey (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Observatoire de Sauverny, Versoix, Switzerland), H. Israel (Institute for Computational Cosmology, UK), M. Jauzac (Institute for Computational Cosmology, UK; Astrophysics and Cosmology Research Unit, School of Mathematical Sciences, University of KwaZulu-Natal, Durban, South Africa), D. Clowe (Department of Physics and Astronomy, Ohio University, Athens, Ohio, USA), A. Edge (Department of Physics, Durham University, Durham, UK), M. Hilton (Astrophysics and Cosmology Research Unit, South Africa), E. Jullo (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Université d’Aix-Marseille, Marseille, France), A. Leonard (University College London, London, UK), J. Liesenborgs (Hasselt University, Diepenbeek, Belgium), J. Merten (Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, California, USA; California Institute of Technology, Pasadena, California, USA), I. Mohammed (Physik-Institüt, University of Zürich, Zürich, Switzerland), D. Nagai (Department of Physics, Yale University, New Haven, Connecticut, USA), J. Richard (Observatoire de Lyon, Université Lyon, Saint Genis Laval, France), A. Robertson (Institute for Computational Cosmology, UK), P. Saha (Physik-Institüt, Switzerland), R. Santana (Department of Physics and Astronomy, Ohio University, Athens, Ohio, USA), J. Stott (Department of Physics, Durham, UK) and E. Tittley (Royal Observatory, Edinburgh, UK).

ESO is the foremost intergovernmental astronomy organisation in Europe and the world’s most productive ground-based astronomical observatory by far. It is supported by 16 countries: Austria, Belgium, Brazil, the Czech Republic, Denmark, France, Finland, Germany, Italy, the Netherlands, Poland, Portugal, Spain, Sweden, Switzerland and the United Kingdom, along with the host state of Chile. ESO carries out an ambitious programme focused on the design, construction and operation of powerful ground-based observing facilities enabling astronomers to make important scientific discoveries. ESO also plays a leading role in promoting and organising cooperation in astronomical research. ESO operates three unique world-class observing sites in Chile: La Silla, Paranal and Chajnantor. At Paranal, ESO operates the Very Large Telescope, the world’s most advanced visible-light astronomical observatory and two survey telescopes. VISTA works in the infrared and is the world’s largest survey telescope and the VLT Survey Telescope is the largest telescope designed to exclusively survey the skies in visible light. ESO is a major partner in ALMA, the largest astronomical project in existence. And on Cerro Armazones, close to Paranal, ESO is building the 39-metre European Extremely Large Telescope, the E-ELT, which will become “the world’s biggest eye on the sky”.

Links

• Research paper
• Photos of the VLT

Contacts

Richard Massey
Institute for Computational Cosmology
Durham University, United Kingdom
Tel: +44 (0) 7740 648080
Email: r.j.massey@durham.ac.uk

Richard Hook
ESO, Public Information Officer
Garching bei München, Germany
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Cell: +49 151 1537 3591
Email: rhook@eso.org

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