현재 과학계의 가장 큰 질문 중 하나는 우리가 볼 수 없고 다른 어떤 방법으로도 직접 감지할 수 없는 것에 관한 것입니다. 천문학자들은 은하의 움직임을 토대로 중력에 영향을 미치는 상당한 질량을 가진 무언가가 있다는 것을 알고 있지만, 이 물질이 무엇인지, 심지어 물질인지조차 모릅니다. 그들은 이 알려지지 않은 힘을 암흑물질이라고 부릅니다.
과학자들은 일반적으로 우주를 대규모로 관찰하여 암흑물질을 연구하려고 합니다. 유클리드 우주 망원경과 같은 도구를 사용하여 먼 은하의 움직임을 관찰할 수 있고 이러한 움직임을 통해 질량을 계산하고 포함된 암흑 물질의 양을 계산할 수 있다는 아이디어입니다.
그러나 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 천체물리학자들은 다른 접근 방식을 연구하고 있습니다. 최근 Physical Review Letters 저널에 게재된 한 논문에서는 인근 초신성을 활용하여 암흑 물질을 자세히 연구할 것을 제안했습니다.
초신성은 별의 수명이 다해 연료가 고갈되는 극도로 극적인 사건입니다. 일단 모든 연료를 태워버리면 별은 작은 핵으로 붕괴되고 엄청난 양의 에너지를 쏟아부으며 폭발합니다. 과학자들이 이러한 극한 조건에서 액시온(axion)이라고 불리는 이론적 유형의 암흑 물질 입자에 대한 증거를 찾기 때문에 이러한 에너지의 분출은 암흑 물질을 이해하는 단서가 될 수 있습니다.
초신성 찾기
과학자들은 1970년대 이론화된 이후 액시온을 찾아왔습니다. 오늘날 그들은 “암흑 물질 입자”의 가장 유망한 가능성을 나타내기 때문에 가장 관심을 끌고 있습니다.
별이 초신성이 되면 엄청난 수의 축삭이 생성되므로 논문의 저자는 강력한 감마선 망원경을 사용하여 이러한 축삭의 생성을 관찰하기 위해 근처의 초신성을 찾을 것을 제안합니다. 초신성 1987A라고 불리는 이전의 초신성은 대마젤란은하라고 불리는 우리은하의 위성은하에서 발생했습니다. 감마선 망원경으로 초신성을 관찰하고 있었지만 그들이 찾고 있던 것을 포착할 만큼 강력하지는 않았습니다.
“만약 우리가 현대 감마선 망원경으로 초신성 1987A와 같은 초신성을 본다면 우리는 이 QCD 축삭, 즉 가장 흥미로운 축삭을 매개변수 공간의 대부분, 즉 본질적으로 전체 매개변수에 걸쳐 탐지하거나 배제할 수 있을 것입니다. 실험실에서 조사할 수 없는 공간과 실험실에서 조사할 수 있는 매개변수 공간의 대부분도 마찬가지입니다.”라고 논문 저자 중 한 명인 버클리 캘리포니아 대학의 Benjamin Safdi가 설명했습니다. “그리고 이 모든 일은 10초 안에 일어날 것입니다.”
문제는 초신성은 예측하기 어렵다는 것이다. 과학자들은 별이 언제 초신성 상태에 가까워지는지 알 수 있지만, 그 사건이 일어날 정확한 시간을 알아내는 것은 거의 불가능합니다.
Safdi는 “이 논문에 있는 우리 모두는 올바른 장비를 갖추기 전에 다음 초신성이 있을 것이라는 점에 대해 스트레스를 받고 있다고 생각합니다.”라고 말했습니다. “내일 초신성이 터져 액시온을 탐지할 기회를 놓치면 정말 안타까운 일이 될 것입니다. 액시온은 앞으로 50년 동안 다시 돌아오지 않을 수도 있습니다.”
암흑물질과 액시온
아직까지 액시온을 관찰한 사람은 없지만 액시온이 존재해야 한다고 생각할 만한 충분한 이유가 있습니다. Safdi는 “액시온과 같은 입자가 없는 양자역학과 결합된 일관된 중력 이론을 갖는 것은 거의 불가능해 보인다”고 말했습니다.
연구자들이 관심을 갖고 있는 유형은 QCD 축삭이라고 불리는데, 이는 양자 색역학이라는 힘의 이름을 따서 명명되었습니다. 논문에서 연구자들은 초신성 사건 중에 액시온이 탈출하여 고에너지 광선으로 변환되면서 감마선이 생성될 것이라고 제안했습니다.
연구자들은 슈퍼컴퓨터를 사용하여 초신성 동안 어떤 일이 일어날지 모델링했으며, 별이 중성자별로 불리는 유형으로 변할 때 단 10초 동안 짧지만 상당한 감마선 폭발이 있어야 한다는 사실을 발견했습니다. 그들은 액시온이 감지 가능해야 하는 질량을 계산할 수 있었고, 이러한 입자 감지에서 기대할 수 있는 한계를 설정하는 데 도움이 되었습니다.
그들은 미래의 초신성을 관찰하기 위해 현재 궤도에 있는 페르미 감마선 우주 망원경이라고 불리는 강력한 감마선 망원경을 사용하기를 희망하고 있습니다.
“액시온에 대한 가장 좋은 시나리오는 페르미가 초신성을 포착하는 것입니다. 단지 그럴 가능성이 작다는 것입니다”라고 Safdi는 말했습니다. “그러나 만약 페르미가 그것을 본다면, 우리는 그것의 질량을 측정할 수 있을 것입니다. 우리는 그것의 상호작용 강도를 측정할 수 있을 것입니다. 우리는 액시온에 대해 알아야 할 모든 것을 결정할 수 있을 것이고, 우리는 믿을 수 없을 만큼 놀라울 것입니다. 그런 사건을 일으킬 수 있는 일반적인 물질이 없기 때문에 신호에 확신이 있습니다.”
