'암흑 왜성' 발견, 암흑 물질 미스터리 해독의 문 열릴 듯

DNVN - 최근 발표된 연구에 따르면, 신비한 "암흑 왜성"이 중요한 단서를 제공하여 현대 우주론의 가장 큰 미스터리 중 하나인 암흑 물질의 진정한 본질을 밝히는 데 기여할 수 있다고 합니다.

암흑 왜성이라고 불리는 새로운 유형의 항성체가 우리 은하 중심에 숨어 있을지도 모릅니다. 이 희미하고 질량이 작은 별들은 핵융합이 아닌 암흑 물질 입자의 소멸로 에너지를 얻을 가능성이 있으며, 이는 우주의 가장 큰 미스터리 중 하나인 그 정체를 밝혀낼 가능성이 있습니다. (작가의 구상). 출처: SciTechDaily.

영국과 하와이 연구팀은 우주론 및 천체핵물리학 저널(Journal of Cosmology and Astronuclear Physics)에 암흑 왜성(dark dwarfs)이라는 개념을 소개하고, 제임스 웹 우주 망원경(James Webb Space Telescope)을 포함한 기존 관측 장비를 이용하여 인간이 암흑 왜성을 어떻게 관측할 수 있는지 설명했습니다. "암흑 왜성"이라는 명칭은 본래 어둡기 때문이 아니라, 오늘날 천체물리학과 우주론의 핵심으로 남아 있는 암흑 물질과 밀접하게 연관되어 있기 때문입니다.

"우주의 25%는 빛을 내지 않는 물질로 이루어져 있어 육안이나 망원경으로는 볼 수 없다고 생각합니다. 우리는 이 물질이 중력 효과를 통해서만 감지할 수 있습니다. 그래서 우리는 이를 암흑 물질이라고 부릅니다."라고 연구 공동 저자인 하와이 대학교 제레미 삭스타인 교수는 설명합니다.

암흑 물질의 존재가 확인되고 과학자들이 그 움직임을 관찰했지만, 그 진정한 본질은 여전히 ​​미스터리로 남아 있습니다. 지난 50년 동안 수많은 가설이 제시되었지만, 강력한 실험 데이터로 뒷받침된 것은 없습니다. 이번 연구는 최종 답에 더 가까이 다가갈 수 있는 실용적인 방법을 제시하는 것을 목표로 합니다.

암흑 물질의 가장 유망한 후보 중 하나는 약하게 상호작용하는 거대 입자(WIMP)입니다. WIMP는 일반 물질과 매우 약하게 상호작용하는 매우 무거운 입자입니다. WIMP는 거의 감지되지 않고 모든 것을 통과하며, 빛을 방출하지 않고 전자기력의 영향을 받지 않기 때문에 빛을 반사하지 않고 보이지 않습니다. WIMP는 중력적 영향을 통해 간접적으로만 감지할 수 있습니다. 또한, 이는 암흑 왜성의 존재에 필수적인 유형의 암흑 물질입니다.

검은 왜성 그림. 출처: 시사 미디어랩 직원이 어도비 일러스트레이터를 사용하여 제작한 이미지

"암흑 물질은 중력적으로 상호작용할 수 있기 때문에 별에 갇히고 별 안에 축적됩니다. 그렇게 되면 자기 자신과 상호작용하여 소멸하면서 별을 가열하는 에너지를 방출합니다."라고 삭스타인은 설명합니다.

태양과 같은 일반적인 별은 핵융합을 통해 빛을 내는데, 이는 별의 질량이 충분히 커져서 중력이 물질을 압축하여 원자핵 간의 반응을 촉발할 정도로 커지면 발생합니다. 이때 엄청난 양의 에너지가 방출되는데, 이것이 우리가 빛으로 보는 것입니다. 반면, 암흑 왜성도 빛을 내지만, 핵융합을 통해 빛을 내는 것은 아닙니다.

"암흑 왜성은 매우 작아서 태양 질량의 약 8%에 불과합니다."라고 삭스타인은 말했습니다. 이렇게 작은 질량으로는 열핵융합 반응을 일으키기에 충분하지 않습니다. 따라서 이러한 천체는 우주에서 흔하지만, 작은 중력 붕괴로 생성된 에너지로 인해 희미한 빛만 방출하며, 이를 갈색 왜성이라고 합니다.

그러나 은하수 중심부처럼 암흑 물질이 풍부한 지역에 존재할 경우, 갈색 왜성은 다른 형태로 변할 수 있습니다. 삭스타인은 "이러한 천체들은 암흑 물질을 모아 암흑 왜성이 됩니다."라고 지적합니다. "주변에 암흑 물질이 많을수록 더 많은 암흑 물질을 모읍니다. 그리고 더 많은 암흑 물질을 축적할수록 소멸을 통해 더 많은 에너지를 생성할 수 있습니다."

하지만 이러한 모든 이론은 특정 유형의 암흑 물질에만 유효합니다. 삭스타인은 "암흑 왜성이 존재하려면 암흑 물질은 윔프(WIMP), 즉 서로 상호작용하여 가시광선을 생성할 수 있는 거대 입자로 구성되어야 합니다."라고 말했습니다. 액시온, 비활성 중성미자, 희미한 초경량 입자와 같은 다른 이론들은 원하는 효과를 내기에는 너무 가볍습니다. 상호작용하고 스스로 소멸하여 가시광선 에너지로 변할 수 있는 거대 입자만이 암흑 왜성에 충분한 에너지를 제공할 수 있습니다.

하지만 이 가설이 타당하려면 암흑 왜성을 식별하는 구체적인 방법이 필요합니다. 그래서 삭스타인과 그의 동료들은 리튬-7이라는 특징을 제안했습니다. 이 원소는 일반 별에서 매우 빠르게 연소되어 빠르게 사라집니다. 삭스타인은 "암흑 왜성처럼 보이는 천체를 발견하면 리튬-7의 흔적을 확인할 수 있습니다. 만약 여전히 존재한다면 갈색 왜성이나 그와 비슷한 천체일 리가 없습니다."라고 설명합니다.

제임스 웹 우주 망원경과 같은 현대식 관측 장비는 이미 암흑 왜성과 같은 극도로 차가운 천체를 감지할 수 있는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 작슈타인은 다른 접근법을 제안합니다. "또 다른 방법은 전체 암흑 왜성 집단을 살펴본 후, 더 나은 특성을 파악하기 위해 암흑 왜성 집단을 추가해야 할지 통계적으로 검토하는 것입니다."

과학자들이 앞으로 몇 년 안에 하나 이상의 암흑 왜성을 발견한다면, 암흑 물질이 WIMP로 이루어져 있다는 가설을 뒷받침하기에 충분할까요? 삭스타인은 "꽤 강력합니다."라고 말합니다. "액시온처럼 가벼운 암흑 물질 후보군에서는 암흑 왜성처럼 보이는 것은 발견되지 않을 것 같습니다. 그것들은 별 내부에 축적되지 않습니다. 만약 암흑 왜성을 발견한다면, 암흑 물질이 질량이 크고 자기 자신과는 강하게 상호작용하지만 표준 모형과는 약하게만 상호작용한다는 강력한 증거가 될 것입니다. 여기에는 WIMP와 몇몇 특이한 모형이 포함됩니다."

그러나 그는 암흑 왜성의 발견이 반드시 암흑 물질이 WIMP라는 것을 의미하는 것은 아니며, WIMP일 수도 있고 WIMP와 비슷하게 행동하는 다른 형태의 물질일 수도 있다고 지적했습니다.

만약 이 가설이 확인된다면 새로운 연구 방향이 열리고, 잠재적으로 우주의 가장 큰 미스터리 중 하나를 밝혀낼 수 있을 것입니다.

라 케(SciTech Daily에 따르면)

출처: https://doanhnghiepvn.vn/cong-nghe/phat-hien-sao-lun-toi-co-the-mo-canh-cua-giai-ma-bi-an-vat-chat-toi/20250905082132203