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암흑 물질
우주에 널리 퍼져서 분포하는 물질로 빛과 상호작용을 하지 않고 질량을 가지는 물질이다. 암흑물질이 분포하는 곳에서는 중력에 의한 일반 상대성 이론의 영향으로 주위의 별과 은하의 움직임이 흐트러지거나 빛의 경로가 휘어지게 된다. 암흑 물질의 존재는 광학 관측에서 얻은 값이 은하의 총질량을 계산할 때 중력 효과에서 얻은 값보다 현저히 작다는 사실에서 추론할 수 있다. 암흑물질의 존재는 이제 인정된 이론으로써 받아들여지고 있으며 빅뱅 이론과 acdm 모델의 핵심 요소다. 아직까지는 암흑물질이 어떤 입자로 만들어졌는지는 알려지지 않았다. 현재의 이론은 암흑물질이 우주 전체 에너지의 약 23%를 차지하며, 나머지는 가시광선과 암흑 에너지로 이루어져 있다는 것이다. 물질만을 고려하면 암흑물질이 우주 전체 물질의 84.5%를 차지해 가시광선보다 훨씬 많은 것을 관측할 수 있다. 암흑물질의 존재에 대한 의심은 지구 상에 존재하는 인간의 존재와 무관해 보일 수 있다. 그러나 암흑 물질이 실제로 존재하는지 아닌지는 현대 우주론의 궁극적인 최종 운명을 결정할 수 있다. 우리는 지금 우주가 먼 천체로부터 멀리 떨어진 은하로부터 오는 적색 편광을 통해 팽창하고 있다는 것을 알고 있다. 빛으로 관측할 수 있는 일반 물질의 양은 그러한 팽창을 멈추기에 충분한 중력이 아니며, 따라서 그러한 팽창은 암흑 물질 없이 영원히 지속될 것이다. 이론적으로 우주에 암흑물질이 충분히 존재한다면 우주는 확장을 멈추거나 뒤로 갈 수도 있다. 암흑 물질은 우주의 생성 과정과 밀접한 관련이 있다. 현대 우주론의 결론은 우리가 관측할 수 있게 획득한 우주의 은하 분포는 특정한 암흑 물질로만 가능하다는 것이다. 즉 보통 물질의 중력 붕괴에 의해 은하가 형성되는 과정에서 빛의 영향을 받지 않는 암흑물질이 이미 중력에 의해 거대한 구조를 형성하지 않는 한 은하의 분포를 볼 수 없다는 것이다. 암흑물질의 분포가 궁극적으로 은하계 별 중 하나인 태양계 형성에 영향을 미친다는 뜻이다.
존재의 증거
1. 성단의 운동 암흑 물질의 존재에 대한 첫 번째 증거는 은하계의 별과 성단의 움직임에서 나왔다. 은하 내에서의 움직임은 상당히 균일하지만 비리얼 정리에 따르면 운동에너지는 중력 전위 에너지의 절반이어야 한다. 그러나 실험적으로 측정된 운동에너지는 훨씬 더 높다. 그것은 은하계에 광학적으로 관측되지 않는 물질이 존재하고 훨씬 더 높은 운동에너지를 준다는 사실에서 추론할 수 있다. 우주의 암흑물질 분포는 중력 이론과 전산 모사를 통해 간접적으로 알 수 있다. 은하 중심부에 많은 암흑물질이 분포할 것으로 예상된다. 태양과 같은 별의 중심이나 구형 성단의 중심에는 암흑 물질이 분포한다는 설도 있다. 실험적으로 이러한 장소에서 암흑물질의 상호 소멸에 의해 생성되는 전자파를 관측하기 위한 노력이 이루어졌다. 암흑 물질은 빛과 상호 작용하지 않기 때문에 광학적으로 관측할 수 없다. 그러나 우주에는 광학적으로 관측할 수 없는 것이 많다. 예를 들어 태양 크기나 더 작은 별은 모든 에너지가 핵융합에 의해 소비되면 결국 갈색 왜성이 되겠지만, 갈색 왜성은 빛을 발하지 못하고 관찰되고 발견될 수 없을 것이다. 태양보다 훨씬 큰 별의 경우 중성자 별과 블랙홀이 되지만 광학적으로 발견될 수는 없다. 또한 은하 사이에 분포된 성간 물질은 빛을 방출하지 않을 수도 있다. 관측적으로 암흑물질을 이해하는 것은 백색 왜성, 중성자, 블랙홀과 같은 매우 무거운 존재로도 배제할 수 없다. 이러한 존재는 광학적으로 관찰할 수 없지만 일반 상대성 때문에 빛이 굴절됨으로써 간접적으로 확인할 수 있다.
2. 중력의 렌즈 효과암흑 물질의 존재에 대한 또 다른 증거는 중력 렌즈 효과에서 나온다. 이러한 효과로 콰사와 같은 아주 먼 곳에서 나오는 빛은 은하단을 통해 굴절되어 지구에서 관측된다. 결과적으로, 군집의 이미지는 군집에 포함된 질량에 비례하여 왜곡된다. 그 결과 아날로그화 된 은하단의 질량이 직접 관측된 질량보다 크기 때문에 은하단에 포함된 암흑물질의 존재를 알 수 있다.
결론
과거 옛날부터 과학자들은 블랙홀이라는 존재를 이론으로만 존재한다고 여겨져 왔었다. 그 이유는 바로 실제로 관측한 적이 없었기 때문이다. 수많은 과학자들이 블랙홀의 존재를 이론을 통해 존재한다고 생각했지만 현대 과학기술의 발전을 통해 불과 1년 전인 2019년에 블랙홀의 실제 모습을 관측해냈다. 이처럼 과학자들은 우주의 암흑물질에 대한 연구와 발견을 위해 지속적으로 연구하고 있으며 아인슈타인이 예측한 블랙홀 존재를 발견한 것처럼 암흑물질을 지금도 찾고 있다.