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성단과 암흑물질은 빛 속도의 약 1%인 초당 약 3,000km의 상대 속도로 서로를 향해 질주

암흑물질의 속도 최초로 측정
암흑물질은 충돌하는 은하단에서 가스 질량을 추월한다.

천문학자들이 처음으로 우주에서 암흑물질이 얼마나 빨리 움직이는지 측정했으며 놀라운 사실을 발견했다. 충돌하는 두 은하단의 측정 데이터는 보이지 않는 "어두운" 부분이 뜨거운 은하간 가스보다 확실히 앞선다는 것을 보여주었다. 성단과 암흑물질은 빛 속도의 약 1%인 초당 약 3,000km의 상대 속도로 서로를 향해 질주했다. 

▲ 두 개의 거대한 은하단이 충돌할 때 암흑물질(파란색)은 뜨거운 가스 덩어리나 일반 물질보다 빠르게 움직인다. © W.M. Keck Observatory/ Adam Makarenko

암흑물질은 우주 전체를 거의 채우고 있지만 우리는 그것에 대해 거의 아는 바가 없다. 그것이 무엇으로 구성되어 있는지 불분명할 뿐만 아니라, 이 보이지 않는 형태의 물질이 어떻게 분포되어 있는지, 스스로 상호 작용할 수 있는지도 불분명하다. 암흑물질은 별이나 은하의 움직임 등 간접적으로만 관찰할 수 있다. 약 80~90%의 암흑물질로 구성된 대형 은하단은 이에 특히 적합한 대상으로 여겨진다.

캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 Emily Silich와 그녀의 동료들은 이렇게 거대한 은하단 사이의 합병은 우주론 모델에 있어서 특히 민감한 테스트 사례라고 설명했다. 충돌 파트너의 위치는 이러한 클러스터의 보이는 질량과 보이지 않는 질량이 어디서 어떻게 상호 작용하는지 보여준다.

우주 충돌 속도 측정

이제 처음으로 천문학자들은 은하단 충돌에서 암흑물질의 속도를 측정하고 이를 뜨겁고 빛나는 가스 형태의 가시 물질의 속도와 비교하는 데 성공했다. 테스트 대상은 충돌하는 은하단 MACS J0018.5+1626으로, 각각 수십억 광년 떨어져 있는 수천 개의 은하로 구성된 두 개의 클러스터다. 중요한 것은 이 은하단이 지금까지 관찰된 대부분의 다른 합병처럼 우리 위치에 수직으로 움직이는 것이 아니라 우리의 시각 축 방향으로 움직인다는 것이다.

Silich의 동료인 Jack Sayers는 "Bullet Cluster와 다른 기능을 사용하면 말하자면 자동차 경주의 스탠드에 앉아 있기 때문에 경주용 자동차가 홈 직선에서 서로 추월하는 멋진 스냅샷을 찍을 수 있었다"고 설명했다. “우리의 경우 트랙 가장자리에 바로 서서 경주용 자동차가 우리를 향해 달려오는 것을 본다. 따라서 레이더 총처럼 속도를 측정할 수 있다.”

▲ MACS J0018.5+1626 다중 프로브 관측: 상단 행, 왼쪽부터: LOS 은하 속도(vgal), XSB, GL 투영 총 질량(Σ); 하단 행, 왼쪽부터: LOS ICM 속도(ICM vpec), X선 유도 온도(kT), LOS ICM 전자 광학 깊이(τ). (출처:관련논문 ICM-SHOX. I. Methodology Overview and Discovery of a Gas–Dark Matter Velocity Decoupling in the MACS J0018.5+1626 Merger / Astrophysical Journal)

천문학자들은 X선, 광학 및 무선 범위의 망원경에서 얻은 스펙트럼 관측 데이터를 "레이더 총"으로 사용했다. 우리에게서 멀어지는 물체는 적색 파동 범위로 스펙트럼 이동을, 서로 접근하는 물체는 청색 이동을 생성한다. 또한 팀은 소위 Sunyaev-Zel'dovich 효과를 사용했다. 이것은 우주 배경 방사선의 광자가 은하단의 뜨거운 이온화 가스에 의해 산란될 때 발생한다. 이 산포도를 통해 가스의 속도를 읽을 수 있다.

빠른 속도로 나아가는 암흑물질

분석 결과에 따르면 두 개의 큰 은하단이 충돌할 때 눈에 보이는 뜨거운 은하간 가스와 암흑 물질은 같은 속도로 움직이지 않는다. 둘 사이에는 분리가 발생한다. 두 클러스터는 처음에는 초당 약 3,000km의 속도로 서로를 향해 달린다. 그러나 그 구성 요소는 분리된다. 암흑물질은 분명히 뜨거운 가스 덩어리보다 앞서 나간다.

▲ 병합 지오메트리 초기 구성의 개략도(Chadayammuri et al. 2022의 그림 1 기반). MP와 MS는 각각 1차 및 2차 클러스터 질량이다. b는 충격 매개변수(축을 따라 정의됨)다. vi,p와 vi,s는 1차 및 2차 클러스터 초기 속도(축에서 정의됨)이며, 여기서 vi = ∣vi,p − vi,s ∣이다. L은 시뮬레이션 투영을 위한 시야각 벡터(출처:관련논문 ICM-SHOX. I. Methodology Overview and Discovery of a Gas–Dark Matter Velocity Decoupling in the MACS J0018.5+1626 Merger)

이러한 충돌 동안 암흑물질은 성단의 뜨거운 가스보다 빠르게 이동하여 처음에는 그것을 따라잡는다. Silich는 이 시나리오를 열린 트럭 두 대가 모래와 충돌하는 상황에 비유한다. 두 트럭이 충돌하면 함께 갇힌 트럭이 멈춘다. 반면에 느슨한 모래는 처음에는 그 사이로 더 멀리 날아간다. "암흑물질은 모래이며 앞으로 날아간다"고 Silich는 말했다. 추가 모델 시뮬레이션에 따르면 가스가 따라잡으려면 수억 년이 필요할 것으로 나타났다.

전자기 제동 효과

그런데 왜 암흑물질의 "추월 작전"이 발생할까? 그 이유는 암흑물질과 주변 환경의 상호작용이 낮기 때문이라고 연구진은 설명했다. 암흑물질은 중력 효과에 의해서만 영향을 받는 반면, 뜨겁고 이온화된 가스 덩어리와 일반 물질도 전자기력에 노출된다. 클러스터 충돌 중에 이로 인해 가스 질량이 느려지는 추가적인 난류와 상호작용이 생성된다.

Silich는 “퍼즐의 모든 조각을 맞추는 데 오랜 시간이 걸렸다”며 “하지만 이제 우리는 마침내 그곳에서 무슨 일이 일어나고 있는지 알게 되었다. 이제 우리는 이것이 은하단의 암흑물질을 연구하는 새로운 길을 열게 되기를 바란다”고 말했다.
(The Asphysical Journal, 2024; doi: 10.3847/1538-4357/ad3fb5)
출처: 캘리포니아 공과대학

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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