우주의 85%를 차지하는 '보이지 않는 물질'을 찾는 방법

우주의 85%를 차지하는 물질이 있다. 하지만 우리는 그것을 한 번도 직접 본 적이 없다. 이 신비로운 물질, 암흑물질을 찾기 위한 인류의 도전이 계속되고 있다.

13세 멕시코 소년 레오나르도의 질문에서 시작된 이 이야기는 현대 물리학의 가장 큰 미스터리 중 하나를 다룬다. "현재 기술로 암흑물질과 상호작용할 방법을 만들 수 있을까요?"

보이지 않는 거대한 존재의 증거

암흑물질이 '암흑'인 이유는 빛과 전혀 상호작용하지 않기 때문이다. 빛을 흡수하지도, 반사하지도, 방출하지도 않는다. 물리학자들이 세상을 관찰하는 주된 방법이 다양한 파장의 빛을 통해서인데, 암흑물질은 이 모든 관측 수단을 무력화시킨다.

그렇다면 과학자들은 어떻게 암흑물질의 존재를 확신할 수 있을까? 답은 중력에 있다.

100년 전, 스위스 천문학자 프리츠 츠비키는 코마 은하단을 관측하다 이상한 현상을 발견했다. 은하단 내부의 은하들이 너무 빠르게 움직이고 있어서 수백만 년 전에 이미 흩어져버렸어야 했다. 하지만 은하단은 여전히 단단히 뭉쳐 있었다.

40년 후, 미국 천문학자 베라 루빈은 나선은하의 별들이 은하 중심 주위를 도는 속도를 측정했다. 은하 가장자리의 별들이 예상보다 훨씬 빠르게 움직이고 있었다. 보이는 물질의 중력만으로는 이 별들이 은하계 밖으로 날아가지 않고 궤도를 유지할 수 없었다.

중력 렌즈로 보는 보이지 않는 질량

최근 과학자들은 가시광선 망원경과 X선 망원경을 결합해 더 정교한 관측을 시도하고 있다. 가시광선으로는 은하의 모습과 움직임을, X선으로는 은하 주변의 뜨거운 가스를 관측한다.

여기서 중력 렌즈 현象이 핵심 역할을 한다. 거대한 질량 주변의 중력이 너무 강해서 지나가는 빛을 구부러뜨리는 현상이다. 관측 가능한 물질이 만들어낼 수 있는 것보다 더 강한 중력 렌즈 효과가 발견되면, 그곳에 보이지 않는 질량이 숨어 있다는 뜻이다.

약한 상호작용, 강한 가능성

암흑물질을 직접 관측하기 위한 희망은 약한 핵력에 있다. 이 힘은 일상적인 거리에서는 관측할 수 없지만, 원자핵 크기나 그보다 작은 규모에서는 한 종류의 아원자 입자를 다른 종류로 바꿀 수 있다.

현재 진행 중인 대부분의 암흑물질 탐지 실험은 두 가지 방향으로 나뉜다. 첫째는 지하 깊은 곳에 설치된 검출기에서 극히 드문 약한 상호작용의 신호를 찾는 것이고, 둘째는 특수한 감마선 망원경으로 암흑물질에서 나올 수 있는 감마선을 탐지하는 것이다.

어떤 경우든 암흑물질의 신호는 매우 희미할 것이다. 다른 방법으로는 설명할 수 없는 상호작용이나, 다른 가능한 원인이 없는 신호를 찾아야 한다.

한국의 암흑물질 연구는 어디까지 왔을까

국내에서도 암흑물질 연구가 활발히 진행되고 있다. 기초과학연구원(IBS) 지하실험연구단은 강원도 정선의 지하 1100미터 깊이에서 암흑물질 직접 검출 실험을 수행하고 있다. 또한 한국천문연구원은 국제 협력을 통해 암흑물질의 간접 탐지 연구에 참여하고 있다.

이러한 연구가 성공한다면 한국도 인류 역사상 가장 큰 발견 중 하나에 기여하게 될 것이다. 암흑물질의 정체가 밝혀지면 우주에 대한 우리의 이해는 완전히 바뀔 수 있다.