문화우주 구조의 씨앗 암흑물질.jpg

암흑물질(dark matter)은 말 그대로 암흑의 악한 마법 물질이 아니라...
인간은 눈이나 망원경 등을 사용하여 전자기파(감마선, 엑스선, 자외선, 가시광선, 적외선, 전파 등등)관측을 통해 물질들을 관측하는데,
저런 전자기파를 항성처럼 발산 하지 않고 행성이나 혜성 아니면 가스 구름처럼 전자기파를 반사 하지도 않아서 관측할 수 없는 물질을 의미합니다.
즉 있기는 있는데, 뭔지도 모르고, 전자기파로 관측도 불가능한 물질이 암흑물질 입니다.
암흑물질의 존재는 은하 내 별들의 공전 속도를 탐구하면서 처음으로 알려지게 되었습니다.
은하 내 별들의 은하 중심에 대한 공전 속도는 일정합니다.
즉 은하 중심에서 가까운 별들이나(아주 가까운 것들은 좀 빼고요), 꽤 먼 별들이나, 아니면 아주 먼 별들이나 공전 속도가 거의 일정합니다.
우리은하 뿐만이 아니라 멀리 있는 다른 외부 은하들도 그 안에 소속된 별들의 공전속도가 매우 일정합니다.

(은하 내 항성들의 공전 속도 그래프)
이건 사실 우리가 알고 있는 과학 상식으로는 말이 안 되는 일입니다.
태양계를 예로 들어보면, 태양에 가장 가까운 수성이 가장 빨리, 가장 먼 해왕성이 가장 천천히 공전하듯,
은하도 당연히 은하 중심에 가까운 별들이 가장 빨리 공전해야 하고, 
은하 중심에 멀어질 수록 천천히 공전해야 하는데도 그 속도가 일정한 것은 뉴턴역학으로도, 일반상대성원리로도 설명이 불가능한 현상입니다.(물론 수정뉴턴역학으로는 가능하지만, 이건 현상에 법칙을 껴 맞춘 느낌이라...)
여기서 과학자들은 고민하고,
'은하 안에 어떠한 물질이 있어서 별들의 공전속도를 거리와 관계 없이 일정하게 유지시켜 준다' 라는 가장 그럴 듯한 그러나 약파는 거 같은 결론을 냅니다.
'보이지 않는 암흑물질이 있어서 중력에 영향을 준다' 라는 말은 물질의 세계에 살고 있고 물질만을 관찰해온 사람들에게 정말 받아들여지기 어려운 일입니다.
게다가 이러한 암흑물질은 중력 관측 결과 일반 물질의 5배... 에 달하는 것으로 알려져 있습니다.
(일반물질 4%, 암흑물질 22%, 암흑에너지 74%, 암흑에너지는 이 글에서 설명하지 않을 예정입니다)
그렇다면 이렇게 보이지 않는, 관측이 불가능한 암흑물질은 도대체 무엇으로 되어 있을까요?
이제 천체물리학자들의 무한한 상상력이 펼쳐집니다.
1.  어두운 천체(MACHO, Massive Astronomical Compact Halo Object)
관측이 거의 불가능하지만 큰 질량을 가지고 있는 천체들이 헤일로에 모여 있기 때문에 중력적 영향을 주지 않을까 라는 물음으로 탄생된 추측입니다.
갈색왜성, 행성, 백색왜성, 적색왜성, 블랙홀, 중성자별 등 일반적인 가시광선 망원경으로 관측하기 어려운 천체들이 암흑물질의 주요한 구성물이 될 수 있지 않을까 싶었지만
관측 기술이 발달되고, 어두운 천체(갈색왜성, 적색왜성)들을 관측하는 적외선 망원경, 블랙홀을 관측 가능한 엑스선 망원경, 중성자별을 관측 가능한 감마선, 전파 망원경 등으로 계속해서 저런 천체들을 '전자기파'를 통해 관측해 본 결과
모자라도 너무 모자랍니다. 어두운 천체만으로는 추정되는 암흑물질의 총량에 한자리수는 겨우 될까말까한 질량에 불과합니다.
게다가 전자기파와 반응하지 않는 암흑물질의 특성에도 부합되지 않습니다. 그저 관측이 어려운 어두운 천체일 뿐, 물질세계에 속한 평범한 천체들일 뿐입니다.
암흑물질에서 어두운 천체가 제외된 것과 거의 비슷한 이유로 우주 가스와 먼지도 암흑물질의 후보에서 제외 되었습니다.
2. 중성미자(Neutrino)
암흑물질은 위에서도 언급하였듯이 거의 모든 물질과 반응하지 않습니다. 
좀 더 자세히 살펴보면 직접적 관측에 필요한 전자기파와 반응하지 않지만, 
중력에 관한 한 확실히 암흑물질은 중력을 가지고 있고 중력에 반응한다(질량이 있다) 라고 관측(직접적 관측이 아닌 중력렌즈 효과)을 통해 알 수 있습니다.
그러면 이러한 물질 중 바로 떠오르는 게 있습니다.
거의 물질에 반응하지 않고, 미약하지만 질량이 있는 존재, 바로 중성미자 입니다.
게다가 중성미자는 우주 공간 내에 엄청나게 많습니다. 정말 많아요. 지금 우리 몸을 뚫고 지나가는 중성미자가 몇 백만 개는 될 정도로 많습니다.
그리고 중성미자 진동 현상이 관찰되면서 질량도 확인 되었습니다.
근데... 그럼에도 불구하고 중성미자는 암흑물질 후보에서 제외 되었습니다.
첫 째, 중성미자는 가벼워도 너무너무 가볍습니다.
'거의' 빛의 속도로 움직이는 중성미자는 질량이 전자의 1/10,000,000(천만분의 일) 정도로 추정되는데, 
이 정도로는 은하내에 중성미자를 모두 합쳐도 암흑물질이 가져야 할 추정 질량의 5~7%에 불과합니다.
그래도 중성미자는 아직 우리가 중성미자의 양을 적게 추정했을 지도 모른다고 생각해보면 훌륭한 후보이지만 또 다른 성질로 인해 완전히 제외 되었습니다.
둘 째, 중성미자는 너무 빠릅니다.
중성미자가 암흑물질의 중력적 성질을 내려면 서로 뭉쳐야 하는데, 
중성미자는 서로 뭉치기에는 너무 빠릅니다. 즉 너무 뜨거워 활동성이 거의 광속에 달할 정도로 빠르기 때문에 서로 뭉칠 수가 없습니다.
즉 중력은 미세하게 있지만 서로를 끌어당겨 모이는 것은 불가능합니다.
중성미자는 그저 우주를 떠돌 뿐이지 암흑물질이 되기엔 불가능합니다. 이 중성미자의 핫함과 빠름이 중성미자가 암흑물질 후보에서 제외되는데 결정적이 원인이 되었습니다.
결국 암흑물질은 속도가 0에 가까운 차가운 물질이 아니면 중력적 영향을 주는 게 불가능하다라는 게 밝혀지고 이러한 물질들을 찾기 시작했습니다.
3. 뉴트랄리노(Neutralino)
뉴트랄리노는 위키백과에 따르면 '표준 모형의 무색 중성 보손의 초짝입자다' 라고 밥로스의 '참 쉽죠?' 처럼 아주 더럽게...설명되어 있습니다.

사실 조금 더 자세히 써도 '전자 등의 여러 소립자에 대해 각각 쌍을 이루는 소립자의 총칭이 초대칭성 입자인데 뉴트랄리노는 이런 초대칭성 입자라는 소립자 무리의 하나다' 라고 더 더러운 소리가 되어 버립니다.
더 줄여보자면, 그저 '이론상 그 존재가 예언되어 있지만 아직 발견하지 못한 입자' 라고 퉁쳐 봅시다.
뉴트랄리노는 예견된 바에 의하면 아주 무겁고(양성자의 천배) 아주 차가운(속도가 거의 0임) 입자입니다.
즉 암흑물질이 필히 가져야 할 성질을 모두 가지고 있습니다.
다만이론으로만 예견되는 입자이고 아직까지 간접적으로도 관측된 바가 없어서 약 파는 소리에 불과합니다만 그래도 아주 유력한 후보 중 하나입니다.
4.  액시온(Axion)
액시온도 뉴트랄리노처럼 '이론상 그 존재가 예언되어 있지만 아직 발견하지 못한 입자' 입니다.
역시 자세하게 들어가면 더럽기 때문에 생략합니다.
다만 뉴트랄리노와 다른 점은 엄청나게 가볍지만 중성미자와는 달리 광속과 비슷하게 날아다니지 않고 그냥 제자리에 있는 성질 때문에 암흑물질의 후보가 되기에 충분합니다.
액시온이 만약 암흑물질이라면 전 우주는 액시온으로 가득 찬 공간이라는 말과 크게 다름이 없습니다.
역시 뉴트랄리노 처럼 암흑물질의 유력한 후보 중 하나 입니다.
암흑물질이 무엇으로 되어있던 간에, 암흑물질은 도대체 지금까지 어떠한 역할을 해왔던 것일까요?
현재까지의 연구 결과를 보면 암흑물질은 우주 구조의 씨앗 역할을 해 주었습니다.
현재 가장 정론이 된 ΛCDM(람다시디엠) 모형에 의하면 저러한 암흑 물질이 물질보다도 먼저 중력적으로 뭉쳐서 구조를 만들고, 
그 만들어놓은 구조에 물질들이 나중에 상호작용하여 우주 거대 구조 가 완성되었다고 시뮬레이션 되고 있습니다.

(우주거대구조 시뮬레이션)
즉 암흑물질 없이는 우주 나이 138억년이 지나도 물질들이 거의 뭉치지 못 하고 작게는 은하, 크게는 은하단, 장성 같은 구조는 만들어 내는 것이 불가능하지만,
암흑물질의 존재로 인해 마치 먼저 풀을 발라놓은 것처럼 그 풀에 물질들이 달라붙어 우주 구조를 완성했다는 게 정설입니다.
당연하지만 암흑물질 없이는 우리도 없었습니다.
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사실 암흑물질이라는 게 지금까지 발견되지 않았고, 
예전의 에테르 이론이 완전히 사장된 것처럼 최신 이론이 나온다면 암흑물질이라는 것 자체가 부정당할 수도 있습니다.
다만 중력렌즈 현상 관측으로 인해 분명히 적어도 중력적으로는 그 존재가 확인 되었고, 
여러 시뮬레이션을 통해 물질 세계의 씨앗이 암흑물질이라는 것도 상당히 유력한 이론이며
현재까지 가장 인정받는 우주모형도 암흑물질이 없이는 성립이 불가능 합니다.
그리고 써놓고 보니 재미가 없는 걸 참 길게 썼다 라는 느낌도 듭니다...
사실 그림 붙일 것도 별로 없어서 참 암흑 같이 글을 썼네요.