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- 암흑물질; 우주 전체 물질의 85% 이상을 차지. 중력만을 통해 상호작용한다고 추정
- 암흑 물질 입자들이 블랙홀 주변에 고밀도로 축적되도록 할 수 있다
- 2019년 7월 28일에 관측된 사건 GW190728;질량이 같은 두 블랙홀이 합쳐지면서 발생
- 암흑 물질 신호를 찾기 위해 중력파 현상을 집중적으로 탐색하는 것은 계속 가치 있다

중력파로 암흑물질 입자를 탐지할 수 있다

암흑물질은 우주 거의 모든 곳에서 발견되지만, 그 구성 성분은 여전히 ​​미스터리다. 이제 천문학자들이 이 신비로운 암흑물질 입자의 정체를 밝힐 새로운 방법을 제시했다. 바로 블랙홀 병합에서 발생하는 중력파에 이 입자들의 흔적이 담겨 있을 수 있다는 것이다. 연구팀은 만약 암흑물질이 액시온과 같은 가벼운 입자로 구성되어 있다면, 블랙홀 주변에서 이 입자들이 고밀도로 축적될 것이고, 이로 인해 중력파 신호에 흔적이 남을 것이라고 설명한다. 

▲ 블랙홀 병합에서 발생하는 중력파에는 암흑 물질 입자에 대한 단서가 담겨 있을 수 있다. © Roy et al./ GRChombo

우주 전체 물질의 85% 이상을 차지하는 이 보이지 않는 암흑물질은 중력만을 통해 상호작용하는 것으로 추정된다. 하지만 우리는 암흑물질이 어떤 입자로 구성되어 있는지조차 제대로 알지 못하고 있다. 오랫동안 천체물리학자들은 암흑물질의 구성 성분으로 WIMP(약하게 상호작용하는 무거운 입자)를 꼽아왔다.

하지만 여러 탐지기와 실험에서 무거운 암흑 물질 입자의 존재 증거를 찾지 못하면서, 이제는 액시온과 같은 가벼운 입자들이 가장 유력한 후보로 여겨지고 있다. 보손 계열에 속하는 이 가상의 입자들은 전자보다 몇 자릿수나 가볍고, 스핀이 없으며, 다른 입자들과 거의 상호작용하지 않는 것으로 알려져 있다. 일부 이론에 따르면, 이러한 가벼운 스칼라 입자들은 특정 조건 하에서 마치 협동파처럼 행동할 것으로 예상된다.

블랙홀은 암흑 보손을 축적할 수 있다

바로 이 지점에서 루뱅 가톨릭 대학교의 수멘 로이(Soumen Roy)와 그의 동료들이 제시한 새로운 탐지 아이디어가 등장했다. 연구팀은 "블랙홀 근처의 중력 상호작용이 고밀도 스칼라 입자 배열의 형성을 촉발할 수 있다"고 설명한다. 따라서 블랙홀의 엄청난 중력은 초복사 및 상호작용과 같은 다양한 메커니즘을 통해 암흑 물질 입자들이 블랙홀 주변에 고밀도로 축적되도록 할 수 있다는 것이다.

"이러한 초고속 복사 구름은 블랙홀 질량의 최대 10%에 달할 수 있으며, 밀도는 세제곱센티미터당 10억 그램이 넘을 수 있다. 이는 은하계 암흑물질 배경보다 30배나 높은 수치다"며, "만약 이러한 현상을 감지할 수 있다면, 이는 근본 물리학과 암흑물질을 탐구하는 완전히 새로운 접근 방식이 될 것이다"고 천체물리학자들은 설명했다. 이를 통해 이러한 가벼운 암흑물질 입자가 실제로 존재하는지 확인할 수 있을 것이다.

중력파에서 나타나는 명확한 신호

핵심은 블랙홀 주변의 이러한 암흑물질 밀집 현상을 감지할 수 있는 장비가 이미 존재한다는 것. 이러한 장비는 두 블랙홀이 합쳐질 때 발생하는 시공간 파동인 중력파에서 감지 가능한 흔적을 남길 것이다. "예측된 밀도는 LIGO, Virgo, KAGRA의 감지 범위 내에 있다"고 천체물리학자들은 설명했다.

▲ 현재 천문학자들은 암흑 물질의 존재를 간접적인 방법으로만 확인할 수 있다. 한 예로 은하단 내 가스(분홍색)와 질량 분포를 들 수 있다. 데이터로부터 추론된 암흑 물질의 분포는 파란색으로 표시되어 있다. © Chandra X-Ray Observatory

연구진은 밀도가 높은 암흑물질의 신호가 중력파에서 어떻게 나타날지 알아보기 위해, 충돌하는 블랙홀의 크기와 질량, 그리고 암흑물질의 밀도를 다양하게 설정하여 암흑물질 중력파의 특징을 재구성하는 상세한 수치 시뮬레이션을 수행했다. 그런 다음, 이 결과를 미국의 LIGO, 이탈리아의 Virgo, 일본의 KAGRA에서 기록된 중력파 데이터와 비교했다. 특히, 선명하고 해상도가 높은 28개의 사건에 초점을 맞췄다.

유망한 특징을 보이는 한 사건

28개의 특히 상세한 중력파 사건 중 26개에서는 암흑물질의 증거가 발견되지 않았다. 연구팀은 "매개변수가 진공 상태와 일치하므로 밀도가 거의 0에 가깝다는 강력한 증거를 제공한다"고 밝혔다. 하지만 두 개의 사건이 눈에 띄었다. 로이와 그의 동료들은 "GW190814와 GW190728 사건은 밀도 증가의 징후를 보여주는 주목할 만한 이상 현상"이라고 설명했다. 따라서 연구진은 이러한 현상이 암흑 물질의 밀도 증가에서 비롯된 것인지 더 자세히 조사했다.

이러한 분석 결과, 중력파 사건 GW190814의 경우 그러한 연관성을 뒷받침하는 증거는 미약한 것으로 나타났다. 그러나 2019년 7월 28일에 관측된 사건 GW190728은 상황이 달랐다. 이 중력파는 질량이 거의 같은 두 블랙홀이 합쳐지면서 발생했으며, 두 블랙홀의 총 질량은 약 20 태양 질량에 달했다. 연구진은 이 신호의 파동 매개변수에서 밀도가 높은 암흑 물질의 존재를 시사하는 여러 특징이 나타났다고 보고했다.

매우 가벼운 입자의 첫 번째 징후

"통계적 유의성이 아직 증거로 간주될 만큼 충분히 높지는 않다"고 매사추세츠 공과대학(MIT)의 공동 저자인 조슈 아우레코에체아(Josu Aurrekoetxea)는 강조했다. 그러나 결과가 확인된다면, 이 중력파 신호는 오랫동안 찾아 헤매던 암흑 물질 입자의 질량을 더욱 좁히는 데 도움이 될 수 있다. 연구팀은 "우리의 해석은 10⁻¹² 전자볼트의 질량을 가진 새로운 스칼라 입자의 존재를 시사한다"고 밝혔다.

천체물리학자들에 따르면, 따라서 암흑 물질 신호를 찾기 위해 중력파 현상을 집중적으로 탐색하는 것은 계속 가치가 있다. 로이는 "LVK 검출기가 앞으로 몇 년 동안 더 많은 데이터를 수집할 것이기 때문에, 우리는 이제 블랙홀 주변의 암흑 물질을 탐지할 가능성이 있다"고 말했다. 아인슈타인 망원경이나 코스믹 익스플로러와 같은 차세대 중력파 검출기는 더욱 심층적인 정보를 제공할 수 있을 것이다. 계획된 이 관측소들은 훨씬 더 나은 품질과 더 강한 신호 강도로 중력파를 포착할 수 있을 것이다.

출처: Soumen Roy (Université Catholique de Louvain, Louvain-La-Neuve, Belgium) 외, Physical Review Letters, 2026; doi: 10.1103/fv9z-zkxx

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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