https://www.popsci.com/galaxy-no-dark-matter
한반도 주변 상황이 정신 없이 돌아가는 스케일을 잠깐 벗어나, 우주적인 스케일의 따끈따끈한 과학계 소식을 전해 드립니다.

학부 때 천문학 교양 수업이나 약간 수준 있는 천문학 관련 교양 서적을 탐독해 보신 분들은 많이 들어 보셨을만한 것 중, 암흑물질 (Dark matter)라는 것이 있습니다. 기존의 뉴턴/아인슈타인 중력 이론으로는 설명이 안 되는 천문 현상 (중력 렌즈의 강력한 효과, 은하계 내부의 중력 분포, 거대 은하 구조 형성 등..) 을 어떻게든 설명해 보기 위해, '이런 녀석이 있어야 하지 않을까?' 하는 가정에서 출발하여 도입된 개념입니다. 천문학자들은 처음 발견된 현상이나 가상의 대상에 대해 네이밍을 좀 대충 하는 경향이 있는데 (빅뱅이랄지 블랙홀이랄지..), 암흑물질 역시 굉장히 성의 없게(?) 네이밍된 케이스에 속할 것 같습니다. 그렇지만, 그 의미는 전혀 이상하지 않은 것이, 말 그대로 눈에 보이지 않아, 솔직히 우리가 알고 있는 물질계에 속하는 것이 맞는지조차 아무도 모르기 때문입니다. 거의 모든 파장대의 전자기파와도 반응하지 않고, 우주에 존재하는 것으로 알려진 (즉, 실험적으로 검출된) 각종 바리온 소립자와도 전혀 반응하지 않아서, 이들이 어떤 존재인지 아무도 모릅니다. 다만, 존재하는 것은 거의 확실하다고 대다수의 천문학자들이 믿고 있는데, 일단 이들이 존재한다고 가정만하면, 위에서 언급한 뉴턴/아인슈타인 이론만으로는 설명이 안 되는 우주적 스케일에서의 중력 관련된 현상을 꽤 정확하고 통일성 있게 설명할 수 있기 때문입니다. 물론, 우주의 팽창까지 설명하기 위해서는 암흑에너지라는 또 다른 이상한 녀석의 도입이 필요하지만, 암흑 물질은 어쨌든 중력 현상으로 그 존재를 꽤나 확실하게 가정할 수 있다는 특징이 있습니다. 일단, 이 녀석이 존재한다고 가정하면, 꽤 깔끔하게 많은 우주의 미스테리들이 풀리니까 개이득!을 외치고 싶겠지만, 당연히 과학자라는 존재들은 이것만으로는 만족할 수 없으니, 그 정체를 탐구하고 싶어했습니다. 불운하게도, 제안된지 80년이 지나도록, 여전히 그 정체는 오리무중이고, 중성미자 같은 각종 후보군들이 꾸준히 제안되어 왔지만, 이렇다할 후보는 없었죠. 지친 과학자들 중에는, '암흑물질 따위 알게 뭐임. 존재 안 하는 것일수도' 라고 때려친 사람도 있고, '암흑물질은 애초부터 없고, 뉴턴/아인슈타인 이론이 잘못된 것일수도' 라며 흑화된 사람도 있고, '뉴턴/아인슈타인 이론은 일정 범위에서는 잘 맞는데, 스케일이 커지면 다른 법칙의 일부 정도 밖에 안 되는 것일수도. 더 큰 프레임의 이론이 있는 것일수도' 라며 지금도 컴퓨터 시뮬레이션으로 날 밤새는 사람들도 있습니다. 물론, 맨 마지막 시도의 경우, 중력 이론을 처음부터 다시 써야 한다는 부담감때문에, 큰 스케일에서 완전히 성공한 케이스는 없습니다.

그러던 와중에, 예일대학의 Dokkum 이라는 천문학자가, 어느 날 밤 하늘을 보다가 이상한 은하계를 하나 관측합니다. 이 은하계가 왜 이상했는가. 그 이유는 보통 은하계와는 달리, 좀 성긴 (Sparse) 은하계였기 때문입니다. 보통 은하계에 별이 빽빽히 들어차 있다면 (비유적 표현입니다. 실은 굉장히 드문드문 퍼져 있죠), 이 은하는 맹탕처럼 드문드문 항성이 있었던 것입니다. 성긴 은하였기 때문에, 질량도 매우 가벼운 편이었고, 따라서, 그 안에 있는 항성들의 은하 중심에 대한 공전 속도 역시 매우 느리게 관측되었습니다 (케플러 법칙). 문제는, 이렇게 성긴 은하가 보통 은하와 전체 크기는 별로 차이가 나지 않았다는 것입니다. 보통 은하만큼 크기가 유지되려면, 그 안의 별들이 흩어지지 않도록 붙잡아 주는 중력을 행사하는 암흑물질이 분포해야 정상인 상황에서, 이 은하는 질량이 매우 가볍게 측정된 것이죠. 그 말인 즉슨, 이 은하는 암흑물질이 다른 정상 은하만큼 존재하지 않는다는 것을 의미하는 것입니다. 이 발견은 그렇지 않아도 미스테리한 현상을 한 번도 꼬아 버립니다. '암흑물질은 결국 존재하지 않는 것 아닌가? 뉴턴/아인슈타인느님 만세. 개이득!' 을 외칠 수도 있겠으나, '다른 은하는 암흑물질이 있어야 공전 속도와 중력 렌즈 효과와, 질량이 설명되는데 어쩔 거임?' 의 반대에 부딪히는 것이죠. '암흑물질은 있을 수도 있고 없을 수도 있습니다' (어디서 많이 들어 본 표현이라면 착각 아닙니꽈.) 라고 퉁 쳐버리기엔, 이미 현대 천문학은 너무 멀리 왔습니다. '역시 뉴턴/아인슈타인 중력 법칙의 수정이 필요한 것은 아닐까?' 라고 주장하던 진영에도, 이 발견은 매우 큰 충격일 것입니다. '암흑 물질 모델이 잘 맞는 은하도 있고 안 맞는 은하도 있음' 같은 상반된 관측을 동시에 아우르는 법칙 세우기란 거의 불가능에 가까우니까요. 물론 세운다면 노벨상은 예약입니다.

당연히, 이 논문이 오늘 공개된 이후, 앞으로 천문학자들은 두 파로 갈려, 한 쪽은 '다른 은하 중에도, 암흑물질이 없는 케이스가 있는지 보자' 라고 달려들 것이고, 나머지 한 쪽은 '그 발견 알고 보면 구라임. 역시 암흑물질 없는 은하란 없음. 암흑물질 승!' 을 미는 방향으로 갈 것입니다. 시간이 흐름에 따라, 이 발견이 사실에 가까운 결과가 될 것인지, 아닐 것인지 결정 되겠지만, 암흑 속에 놓여 있던 암흑물질에 대한 연구에 새로운 실마리가 생겼다는 것만으로 충분히 주목할 만한 연구 결과가 아닌가 마 그렇게 생각하여, 이렇게 아마추어 주제에 공유해 봅니다. 갑자기 우주적 스케일을 생각하다가, 동북아 스케일로 회귀하려니, 인간사 다 허망하게 느껴지네요. 그런 의미에서 종전 가즈아.