우주에는 빛과 상호작용하지 않지만, 널리 분포하고 있는 물질이 있는데요. 바로 '암흑물질'입니다. 암흑물질은 우주 총 에너지의 대략 23%를 차지하고 있지만, 정확히 어떤 입자로 만들어져 있는지는 알려져 있지 않습니다.
문제는 우주에 존재하는 전체 물질의 약 84.5%를 차지하는 암흑물질을 검출해내는 작업이 어렵다는 점입니다. 암흑물질은 눈에 보이지 않고 중력에만 반응하기 때문에 그 존재와 양, 특성에 대해서 정확히 알지 못합니다. 또한 암흑물질이 분포하는 곳에서는 중력의 영향 때문에 주변 항성이나 은하의 운동이 교란되기도 한다고 합니다.
그럼에도 암흑물질의 존재는 현재 정설로 인정되고 있습니다. 약 138억년 전 모든 물질과 에너지가 모인 한 점에서 대폭발이 일어나 우주가 탄생했다는 빅뱅이론 및 ΛCDM(Lambda-Cold Dark Matter model) 모형의 핵심 요소이기 때문입니다.
표준우주모형도 풀지 못한 난제
표준우주모형 ΛCDM은 우주의 과거, 현재, 미래를 이해할 때 사용됩니다. 참고로 'Λ'이 글자는 그리스어 알파벳의 열한째 글자인 람다 표기입니다. 그 동안 이 모형으로 정확히 설명되지 않는 '우주의 난제'가 있었는데요. 바로, 우리은하 주위를 돌고 있는 수많은 위성 은하(Satellite galaxy)들의 '분포'였습니다.
표준우주모형에 따르면 위성은하는 무작위로 퍼져서 우주에 고르게 분포해야 하는데요. 문제는, 실제로 관측한 데이터를 보면 우리은하에 있는 대부분의 위성은하들이 우리은하 극 주변의 한 평면(Plane)에 위치하고 있다는 점입니다. 위성은하들이 마치 줄을 서 있는 것처럼 말이죠.
천문학자들은 천체들이 왜 이런 분포를 보이는지 궁금했습니다. 그런데 <Monthly Notices of the Royal Astronomical Society>에 게재된 연구에 따르면, 이 난제를 어느 정도 설명할 수 있을 것 같습니다.
그럼 우선, 연구에 대한 설명에 앞서, 주요 개념인 위성은하의 개념부터 알아볼까요?
왜소은하? 위성 은하?
왜소은하(dwarf galaxy)는 크기가 작아 어둡게 보이는 은하입니다. 그 질량은 우리은하보다 약 100배 정도 작습니다. 또한, 우주 전역에 홀로 분포하기도 하지만, 거대한 은하 주위를 돌고 있는 경우가 더 많다고 합니다.
왜소은하는 우주에 헤아릴 수 없을 정도로 많다고 하는데요. 우리가 알 만한 가장 대표적인 왜소은하를 꼽으라면 '대마젤란 은하'와 '소마젤란 은하'를 꼽을 수 있습니다. 대마젤란 은하는 우리은하를 돌고 있는 왜소은하 중 가장 크며, 남반구에서만 관측되는데요.
이렇게 마젤란 은하처럼, 자신보다 훨씬 거대한 모(母)은하의 중력에 이끌려 그 주위를 공전하고 있는 은하를 바로 '왜소은하'라고 합니다. 참고로 소마젤란 은하와 대마젤란 은하의 질량을 다 합친다고 해도 우리 은하의 50분의 1정도밖에 되지 않는다고 합니다. 모은하의 중력이 얼마나 큰 지 감이 잡히실 겁니다("왜소은하" 흔한, 그러면서도 중요한).
일시적일까 영구적일까
로체스터 공과대학의 Andrew Lipnicky과 Sukanya Chakrabarti가 우리은하 주위를 돌고 있는 수많은 위성은하(Satellite galaxy)들의 분포가 ΛCDM 모형과 왜 다르게 관측되는지 설명하기 위한 연구를 진행했습니다. 분명, ΛCDM 모형을 기반으로 이뤄진 시뮬레이션에서는 오늘날 우리가 보는 것 같은 구조가 만들어 지지 않았는데요.
만약 이러한 위성은하의 분포가 영구적인 이라면 이는 오늘날 관측된 거의 모든 우주론적 데이터와 일관되는 ΛCDM 모형이 잘못됐을 수 있다는 것을 시사합니다. 반면, 만약 이러한 위성은하의 분포가 지금 일시적으로 만들어진 것이라면 이는 ΛCDM 모형을 위반하는 것이 아닙니다. Lipnicky와 Chakrabarti는 허블 우주망원경 관측을 통해 우리은하 주변의 몇 개의 위성은하의 위치와 움직임을 관찰했습니다. 그리고 위성은하들의 분포가 일시적인 것인지 결정해야 했습니다.
결론부터 말하자면, 현재 위성은하가 우리은하 극 주변의 한 평면(Plane)에 위치하고 있는 것은 '일시적'인 것이었습니다. 은하의 한 평면에 위치하고 있는 구조는 그리 오래되지 않았다는 점을 알아냈는데요. 우리은하와 위성은하가 충분히 진화한 후에 이러한 분포를 가지게 된 것이었습니다. 다행히도, 현재 위성은하의 배치가 ΛCDM 모형에 위반되지 않는다는 점을 설명할 수 있게 된 셈입니다.
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