어떤 과학자도 부인할 수 없는 암흑 물질에 관한 5가지 진실

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어떤 과학자도 부인할 수 없는 암흑 물질에 관한 5가지 진실

암흑물질은 직접적으로 발견된 적은 없지만 그 존재에 대한 천문학적 증거는 압도적입니다. 알아야 할 사항은 다음과 같습니다.

이 이미지는 거대하고 먼 은하단 Abell S1063을 보여줍니다. 허블 프론티어 필드(Hubble Frontier Fields) 프로그램의 일환으로, 이 사진은 다양한 파장에서 고해상도로 오랫동안 촬영된 6개의 은하단 중 하나입니다. 여기에 보이는 청백색 확산광은 실제 은하단 내 별빛으로, 2018년에 처음으로 포착됐다. 다른 어떤 육안 관측보다 암흑물질의 위치와 밀도를 더 정확하게 추적하고 있으며, JWST 데이터가 곧 나올 예정이다. 클러스터 내에서 암흑 물질의 분포를 추적하는 데 있어 이전과는 비교할 수 없는 강력한 힘을 보유하고 있습니다.

( 제공 : NASA, ESA 및 M. Montes(뉴사우스웨일스 대학교))

주요 시사점

• 우주에 존재하는 모든 별, 은하, 가스, 먼지 등에도 불구하고 모든 원자 기반의 "정상 물질"은 우주 전체 에너지의 5%만을 차지합니다.
• 나머지는 암흑물질(27%)과 암흑에너지(68%)로 이루어져 있으며, 암흑물질은 우주의 대규모 구조부터 은하계와 은하단이 서로 결합하는 방식까지 모든 것을 담당합니다.
• 많은 사람들은 암흑 물질을 완전히 제거하기 위해 중력 이론을 간단히 수정할 수 있는지 종종 궁금해했지만 대답은 '아니오'입니다. 이 다섯 가지 핵심 증거를 한꺼번에 설명하고 싶다면 그렇지 않습니다.

에단 시겔

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주류 이론뿐만 아니라 증거에도 맞지 않는 비주류 이론의 옹호자들은 종종 그 이론에 다시 생명을 불어넣기 위해 할 수 있는 일을 합니다. 때때로 새로운 증거가 밝혀져 주류 이론에 도전하고 대안이 재평가되게 만듭니다. 때로는 일련의 놀라운 관찰이 한때 신빙성이 떨어졌던 이론을 뒷받침하여 다시 주목받게 만드는 경우도 있습니다. 그리고 때로는 주류 전문가들에 의해 정당하게 일축된 솔직하지 못한 주장이 경험이 없는 새로운 세대의 개인들 사이에서 자리 잡게 되면서 거짓 서술이 범인이 됩니다.

제시된 내용을 정확하고 완전하게 진단하는 데 필요한 전문 지식이 없으면 이러한 시나리오를 구분하는 것이 사실상 불가능합니다. 최근 또 다른 물리학자는   이 분야에서 믿을 수 없을 정도로 논란이 많은 반대론자의 선례를 따라  텍스트  와  비디오를 통해 암흑 물질을 둘러싼 상황이 바뀌었고 수정된 중력이 이제 동등하게 고려되어야 한다고 제안했습니다. 더욱 최근에는 또 다른 저명한 물리학자가 암흑 물질이 존재하지 않는다는 유사한 모호한 사례를 언급했습니다 .

그러나 우주 증거의 대부분을 무시하는 사업을 하지 않는 한, 그것은 사실이 아닙니다. 우주론의 가장 큰 수수께끼 중 하나에 대해 과도한 의심을 뿌리는 사람들이 제시한 잘못된 동등성을 간파하는 데 도움이 될 수 있는 다섯 가지 진실은 다음과 같습니다.

은하, 퀘이사, 심지어 우주 마이크로파 배경까지 멀리 떨어진 광원은 일반 물질 구름을 통과해야 합니다. 우리가 보는 흡수 특징을 통해 내부의 가벼운 원소의 풍부함과 이온화 정도를 포함하여 중간 가스 구름에 대한 많은 특징을 측정할 수 있습니다.

크레딧 : Ed Janssen/ESO

1.) 우주에 있는 정상 물질의 총량은 분명하게 알려져 있습니다 .

별, 은하, 가스, 먼지, 플라즈마, 블랙홀 등으로 가득 찬 우주를 바라보며 거기에 더 이상 "알려진 물질"이 없는지 궁금할 것입니다. 결국, 우리가 설명할 수 있는 것 이상의 추가적인 중력 효과가 있다면 아마도 그 원인이 되는 보이지 않는 질량이 있을 것입니다. "어두운 일반 물질"이라는 이 아이디어는 암흑 물질이 20세기 우주론의 일부로 받아들여지는 것을 방해하는 주요 아이디어 중 하나였습니다.

결국, 우주에는 수많은 가스와 플라즈마가 있으며, 만약 가스와 플라즈마가 충분하다면 근본적으로 새로운 유형의 물질이 전혀 필요하지 않을 것이라고 생각할 수도 있습니다. 아마도 중성미자가 충분히 크다면 이를 처리할 수 있을 것입니다. 또는 우주가 너무 많은 물질로 태어났고 그 중 일부가 초기에 붕괴되어 블랙홀을 형성했다면 우리가 보고 있는 우주 불일치를 해결할 수 있을 것입니다.

그러나 우주에 있는 정상 물질의 총량은 임계 밀도의 4.9%, 그 값의 불확실성은 ±0.1%에 불과하다는 사실이 명확하게 알려져 있기 때문에 이러한 일 중 어느 것도 가능하지 않습니다.

우주는 양성자와 중성자로 시작하여 헬륨-4를 빠르게 축적하고, 작지만 계산 가능한 양의 중수소, 헬륨-3, 리튬-7도 남습니다. LUNA 공동 연구의 최신 결과가 나올 때까지 중수소와 양성자가 헬륨-3으로 융합되는 2a단계의 불확실성이 가장 컸습니다. 그 불확실성은 이제 1.6%로 떨어졌고, 믿을 수 없을 만큼 강력한 결론을 내릴 수 있게 되었습니다.

출처 : E. Siegel/Beyond the Galaxy (L); NASA/WMAP 과학팀(R)

관찰의 주요 제한 사항은 수소, 중수소, 헬륨-3, 헬륨-4 및 리튬-7과 같은 가벼운 원소의 관찰된 풍부함입니다. 뜨거운 빅뱅의 처음 ~4분 동안 이러한 가벼운 원소는 초기 우주의 핵폭발로 인해 형성되었습니다. 우리가 얻는 각 원소의 양은 초기 순간에 얼마나 많은 정상 물질이 있었는지에 따라 크게 달라집니다. 오늘날 우리는 가스 구름의 분광학 측정을 통해 직접적으로 이러한 존재비를 측정할 뿐만 아니라 우주 마이크로파 배경에 대한 상세한 관찰을 통해 간접적으로도 측정합니다. 두 가지 측정 유형 모두 동일한 그림을 가리킵니다. 즉, 우주 에너지의 4.9% ± 0.1%가 일반 물질 형태라는 것입니다.

블랙홀을 형성하기에는 너무 빠르기 때문에 블랙홀은 제거됩니다. 빅뱅 핵합성은 중성미자에 의존하며, 전자, 뮤온, 타우 세 가지 유형만 허용되며, 이들 역시 암흑물질이 될 수 없습니다. 실제로 표준 모델의 어떤 것도 해당 작업을 수행하지 않습니다. 그러나 이 핵심 사실은 정당하게 논쟁의 여지가 없습니다. 우리가 결정한 정상적인 물질의 양을 고려할 때, 우리의 우주론적 관찰과 일치하려면 새로운 유형의 기본 성분이 존재해야 합니다. 우리는 이 성분을 '암흑물질'이라고 부르며, 반드시 존재해야 합니다.

우주 마이크로파 배경에서부터 우주 웹, 은하단, 개별 은하에 이르기까지 우주에서 가장 큰 규모의 관측은 모두 우리가 관찰하는 것을 설명하기 위해 암흑 물질과 암흑 에너지가 필요합니다. 진화를 지배하는 방정식은 우리 우주에서 초기에 과밀도가 높은 영역의 크기와 마찬가지로 잘 알려져 있지만, 가장 작고 초기 은하의 질량과 특성을 알아내기 위해 필요한 소규모 해상도를 얻는 것은 여전히 ​​어렵습니다.

크레딧 : Chris Blake 및 Sam Moorfield

2.) 암흑 물질 없이는 우주 마이크로파 배경이나 우주의 대규모 구조를 설명할 수 없습니다 .

우주가 초기 단계로 되돌아갔다고 상상해 보십시오. 뜨겁고, 밀도가 높으며, 거의 완벽하게 균일하고, 그 동안 팽창하고 냉각됩니다. 다른 지역보다 약간 더 높은 밀도로 태어난 일부 지역은 중력적으로 성장하려고 노력하면서 우선적으로 물질을 끌어당기기 시작할 것입니다.

중력이 작용하면 밀도가 증가하여 내부의 복사압도 증가합니다. 이러한 성장은 결국 밀도를 최고조로 끌어올리고, 이로 인해 광자가 밖으로 흘러나오고 밀도는 다시 낮아집니다. 시간이 지남에 따라 더 큰 영역은 붕괴를 통해 성장하기 시작할 수 있고, 더 작은 영역은 붕괴하고, 희박해지고, 다시 붕괴하는 등의 현상이 일어날 수 있습니다. 이러한 행동은 빅뱅의 남은 빛에 온도 결함을 초래하고 결국 빅뱅의 씨앗을 형성하게 됩니다. 별, 은하, 우주 그물로 성장하는 구조입니다.

그러나 우주 마이크로파 배경과 우주의 대규모 구조 모두에서 암흑 물질과 일반 물질이 모두 있는지 아니면 일반 물질만 있는지에 따라 다른 동작 세트를 얻게 됩니다.

우리 위성의 성능이 향상됨에 따라 우주 마이크로파 배경의 더 작은 규모, 더 많은 주파수 대역 및 더 작은 온도 차이를 조사했습니다. 온도의 불완전성은 우주가 무엇으로 구성되어 있는지, 그리고 우주가 어떻게 진화했는지를 알려주는 데 도움이 되며, 이해하려면 암흑 물질이 필요한 그림을 그려줍니다.

출처 : NASA/ESA 및 COBE, WMAP 및 Planck 팀; 플랑크 협업 외, A&A, 2020

그 이유는 물리학이 다르기 때문입니다. 암흑물질과 정상물질은 모두 중력을 받습니다. 둘 다 방사선 압력의 증가로 이어지며, 정상 물질, 암흑 물질 또는 둘 다로 구성되어 있는지 여부에 관계없이 방사선이 과밀한 영역에서 흘러나옵니다. 그러나 정상 물질은 다른 정상 물질과 충돌하고 광자와 상호 작용하는 반면, 암흑 물질은 눈에 보이지 않습니다. 결과적으로, 암흑 물질이 있는 우주는 일반 물질만 있는 우주보다 우주 마이크로파 배경 스펙트럼과 대규모 구조의 파워 스펙트럼 모두에서 피크와 계곡의 변동 수가 두 배 더 많습니다.

확실하고 분명하게 암흑물질이 필요합니다. 구체적으로 말하면, 그 암흑 물질은 차갑고, 충돌이 없고, 전자기 방사선에 보이지 않아야 합니다. 그것은 정상적인 물질이 될 수 없습니다. 회의론 측정기의 다이얼을 높이고 싶다면 우주 마이크로파 배경이나 암흑물질이 없는 물질 전력 스펙트럼을 설명하려는 반대 논문을 주의 깊게 살펴보세요. 거대한 중성미자, 멸균 중성미자 또는 특별히 조정된 결합이 있는 추가 장과 같은 암흑 물질과 구별되지 않는 기능을 추가할 가능성이 있습니다.

암흑 물질의 그물(보라색, 왼쪽)은 자체적으로 우주 구조 형성을 결정하는 것처럼 보일 수 있지만 일반 물질(빨간색, 오른쪽)의 피드백은 은하계 및 더 작은 규모의 구조 형성에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 우리가 관찰하는 우주를 설명하려면 암흑물질과 정상물질이 모두 적절한 비율로 필요합니다. 공간 영역이 경계 구조를 형성하려면 암흑 에너지가 우주의 팽창을 지배하기 전에 충분히 과밀하게 성장해야 합니다. 암흑 에너지가 장악하면 이미 너무 늦습니다.

크레딧 : Illustris Collaboraiton/Illustris Simulation

3.) 암흑 물질은 입자처럼 행동하며 이는 장처럼 행동하는 것과 비교할 때 근본적으로 특별합니다 .

최근 암흑 물질에 대한 의심을 심고 싶어하는 사람들이 퍼뜨리는 또 다른 솔직하지 못한 이야기가 있습니다. 즉, 입자는 단지 양자장의 여기일 뿐이므로 새로운 양자장을 추가하는 것(또는 중력장을 수정하는 것)은 새로운 양자장을 추가하는 것과 동일할 수 있다는 것입니다. 물질) 입자. 이것은 최악의 종류의 주장입니다. 기술적인 진실의 핵심을 갖고 있지만 모든 핵심 사항에 대해 오해를 불러일으키는 주장입니다.

핵심은 다음과 같습니다. 장은 일반적이며 모든 공간에 스며듭니다. 그것들은 균질할 수도 있고(어디서나 동일할 수도 있음) 덩어리질 수도 있습니다. 등방성(모든 방향에서 동일)이거나 선호하는 방향을 가질 수 있습니다. 대조적으로, 입자는 질량이 없을 수도 있고, 이 경우 방사선처럼 행동해야 하며, 질량이 있을 수도 있으며, 이 경우 전통적인 입자처럼 행동해야 합니다. 후자의 경우 입자는 다음과 같습니다.

• 덩어리,
• 중력,
• 운동에너지와 위치에너지 사이의 관계를 알고 이해해야 합니다.
• 단면적, 산란 진폭, 결합과 같은 의미 있는 입자 특성을 가집니다.
• (적어도) 알려진 물리 법칙에 따라 행동합니다.

확장된 우주의 팽창과 함께 구조 형성 시뮬레이션의 이 조각은 암흑 물질이 풍부한 우주에서 수십억 년에 걸친 중력 성장을 나타냅니다. 필라멘트의 교차점에서 형성되는 필라멘트와 풍부한 클러스터는 주로 암흑 물질로 인해 발생합니다. 정상적인 물질은 사소한 역할만 합니다.

출처 : Ralf Kaehler 및 Tom Abel(KIPAC)/Oliver Hahn

우리가 천체물리학적 관찰만으로 추론할 수 있었던 암흑물질의 모든 특성 때문에 우리는 암흑물질이 본질적으로 입자와 같다고 결론을 내렸습니다. 이는 압력이 없는 유체, 일종의 덩어리진 먼지가 될 수 없거나 중력을 제외한 모든 상호 작용에서 단면적이 0이라는 의미는 아닙니다. 이것이 의미하는 바는 암흑 물질을 장으로 대체하려고 하면 해당 장은 천체 물리학의 관점에서 대규모 질량 입자 세트의 동작과 구별되지 않는 방식으로 동작해야 한다는 것입니다.

암흑 물질은 반드시 입자일 필요는 없지만, “입자가 될 수 있는 것처럼 쉽게 장(field)이 될 수도 있다”고 말하는 것은 암흑 물질이 우리가 원하는 방식으로 정확하게 행동한다는 큰 진실을 얼버무리는 것입니다. 차갑고 거대하며 산란되지 않는 새로운 입자 집단이 행동할 것으로 예상됩니다. 특히 대규모 우주 규모, 즉 은하단 규모(약 1천만~2천만 광년) 이상에서 이러한 입자와 같은 행동은 입자 암흑 물질과 구별되지 않게 행동하는 장으로만 대체될 수 있습니다.

작은 왜소 은하에서 별이 형성되면 암흑 물질이 천천히 "뜨거워져" 바깥쪽으로 밀려나게 됩니다. 왼쪽 이미지는 시뮬레이션된 왜소 은하의 수소 가스 밀도를 위에서 본 모습입니다. 오른쪽 이미지는 실제 왜소은하인 IC 1613에 대한 동일한 것을 보여줍니다. 시뮬레이션에서 가스 유입과 유출이 반복되면서 왜소 중심의 중력장 강도가 변동하게 됩니다. 암흑물질은 은하 중심에서 밖으로 이동하는 방식으로 이에 반응하는데, 이 효과를 '암흑물질 가열'이라고 합니다.

( 제공 : JI Read, MG Walker, & P. ​​Steger, MNRAS, 2019)

4.) 동적 가열, 별 형성 및 피드백, 비선형 효과와 같은 매우 실제적인 소규모 물리 효과를 해결해야 합니다 .

암흑 물질 문제, 즉 차갑고 충돌 없는 암흑 물질이 관측과 충돌하는 예측을 하는 경우는 거의 독점적으로 작은 우주 규모, 즉 큰 개별 은하와 그보다 작은 규모에서 발생합니다. 사실입니다. 중력에 대한 특정 수정은 이러한 규모의 관찰과 더 잘 일치할 수 있습니다. 그러나 여기에는 더러운 비밀이 있습니다. 모든 사람이 동의하는 이러한 작은 규모에는 제대로 설명되지 않은 지저분한 물리학이 있습니다. 우리가 그것들을 적절하게 설명할 수 있을 때까지는 수정된 중력이나 암흑 물질 접근을 성공 또는 실패라고 부를지 알 수 없습니다.

이것은 힘든 일입니다! 물질이 거대한 물체의 중심으로 붕괴되면 다음과 같은 현상이 발생합니다.

• 각운동량을 떨어뜨리고,
• 가열,
• 별 형성을 촉발할 수 있고,
• 이는 전리 방사선으로 이어지며,
• 정상적인 물질을 중심에서 바깥쪽으로 밀어내는 것입니다.
• 이는 중심에 있는 암흑물질을 중력적으로 "가열"시킵니다.

그리고 이 모든 것을 계산해야 합니다. 게다가 우리는 가장 단순한 암흑물질 시나리오, 즉 외부 상호작용이나 자체 상호작용이 전혀 없고, 완전히 차갑고 충돌이 없는 시나리오만을 고려했습니다. 물론, 우리는 차갑고 충돌 없는 암흑 물질을 추가하는 것 외에도 중력을 수정할 수 있습니다. 또는 "우리가 관찰하는 소규모 구조로 이어질 수 있는 암흑 물질이 가질 수 있는 상호 작용 특성은 무엇입니까?"라고 질문할 수 있습니다. 이러한 접근법은 똑같이 유효하지만 둘 다 암흑 물질이라고 부르든 아니든 암흑 물질의 존재가 필요하며 이러한 알려진 실제 효과를 고려해야 합니다.

은하단은 이용 가능한 중력 렌즈 데이터로부터 질량을 재구성할 수 있습니다. 질량의 대부분은 여기에서 봉우리로 표시된 개별 은하 내부가 아니라 암흑 물질이 존재하는 것으로 보이는 성단 내의 은하간 매체에서 발견됩니다. 보다 세분화된 시뮬레이션과 관찰을 통해 암흑물질의 하부 구조도 밝혀낼 수 있으며, 이 데이터는 차가운 암흑물질의 예측과 강력하게 일치합니다. 암흑 물질의 중력 효과가 없다면 대부분의 은하계는 주요 별 형성 과정에서 스스로 분열될 것입니다.

출처 : AE Evrard, Nature, 1998

5.) 우주론적 증거 전체를 설명해야 합니다. 그렇지 않으면 합법적인 과학을 수행하는 것이 아니라 선별적으로 선택하는 것입니다 .

이것은 충분히 강조할 수 없는 엄청난 요점입니다. 우리는 우주에 대한 모든 데이터를 보유하고 있으며 결론을 내릴 때 이 모든 데이터를 고려해야 합니다. 여기에는 다음 예가 포함됩니다.

• 처음 두 개뿐만 아니라 우주 마이크로파 배경의 7개 음향 피크를 모두 살펴봐야 합니다.
• (암흑 물질 대신) 추가하는 "사물"이 암흑 물질과 동일하고 구별할 수 없는지 솔직하게 밝혀야 합니다.
• 대규모 특징을 설명하지 않는 대가로 소규모 특징을 설명하는 방식으로 중력의 법칙을 수정해서는 안 됩니다.
• 분명히 발생한(그러나 금지되지 않은) 통계적으로 가능성이 없는 결과를 주요 이론이 틀렸다는 "증거"로 선택해서는 안 됩니다(이 전선에서 수년간 낭비된 노력에 대해 CMB의 낮은 사중극자/8중극자 참조).
• 그리고 당신의 역발상적 접근 방식이 대체하고자 하는 주요 이론적 아이디어의 성공을 지나치게 단순화하거나 잘못 특성화해서는 안 됩니다.

오래된 과학적 아이디어를 전복하고 대체하기 위해 해결해야 할 첫 번째 장애물은 기존 이론의 모든 성공을 재현하는 것임을 기억하십시오. 우리 우주를 설명하려면 새로운 중력 법칙이 필요할 수도 있지만 암흑 물질도 필요하지 않은 방식으로는 그렇게 할 수 없습니다.

우리가 관찰한 은하계의 데이터 포인트(빨간색 점)와 암흑 물질이 포함된 우주론의 예측(검은색 선)이 놀라울 정도로 잘 일치합니다. 중력에 대한 수정이 있거나 없는 파란색 선은 차가운 암흑 물질의 행동과 구별할 수 없는 추가 수정 없이는 이 관측을 재현할 수 없습니다.

( 제공 : S. Dodelson, 중력 연구 재단, 2011)

크고 작은 규모의 암흑물질과 변형된 중력에 관한 문제와 관련하여 결코 잊지 말아야 할 몇 가지 매우 중요한 사항이 있습니다. 대규모에서는 중력 효과만이 중요하며 우주 물리학 테스트를 위한 "가장 깨끗한" 천체 물리학 실험실을 나타냅니다. 더 작은 규모에서는 별, 가스, 방사선, 피드백 및 일반 물질의 물리학에서 발생하는 기타 효과가 매우 중요한 역할을 하며 시뮬레이션은 여전히 ​​개선되고 있습니다. 우리는 아직 소규모 물리학을 명확하게 할 수 있는 지점에 도달하지 못했지만 대규모 물리학은 오랫동안 거기에 있었고 암흑 물질로 가는 길을 결정적으로 제시했습니다.

자신을 속이는 가장 쉬운 방법은 모든 것을 고려하지 않고 올바른 답을 제공하는 일을 하는 것입니다. 잘못된 이유로 올바른 답을 얻는 것은(특히 답이 옳았다는 것을 확인할 수 있는 경우) 당신이 포착한 유일한 것이 결과의 효과일지라도 당신이 뭔가 큰 일을 하고 있다는 것을 스스로 확신하는 가장 확실한 방법입니다. 당신이 고려하지 못한 중요한 물리학. 중력의 법칙을 수정해야 하는지 여부는 알 수 없지만,  우리 우주의 물질에 관해서는 우주 의 약 85%가 실제로 어둡다는 점은 확신할 수 있습니다.