중력파가 우주 초기에 암흑 물질을 생성하는 데 핵심적인 역할을 했을 수 있다는 새로운 연구가 나왔다. 요하네스 구텐베르크 대학 마인츠(JGU) 및 PRISMA++ 우수 클러스터의 요아힘 코프 교수와 스완지 대학의 아자데 말레크네자드 박사가 공동으로 수행한 이 연구는 '피지컬 리뷰 레터스'에 게재됐다. 연구는 소위 확률적 중력파가 암흑 물질을 생성할 수 있는 이전에 탐구되지 않은 과정을 가리키는 새로운 계산을 소개한다.

이 연구는 입자 물리학에서 가장 큰 미해결 질문 중 하나를 다룬다. 우리가 볼 수 있는 모든 것, 즉 행성, 별, 지구상의 생명체는 가시 물질로 이루어져 있지만, 이는 우주의 약 4%에 불과하다. 우주의 대부분은 보이지 않으며 암흑 물질과 암흑 에너지로 구성되어 있다. 암흑 물질만 해도 우주의 약 23%를 차지한다.

관측에 따르면 암흑 물질은 우주 전체에 퍼져 있으며, 은하와 가장 큰 우주 구조를 형성한다. 엄청난 영향력에도 불구하고 과학자들은 여전히 암흑 물질이 무엇으로 이루어져 있는지 모른다. 그 진정한 본질을 밝히기 위해 수많은 이론과 실험이 진행 중이다.

중력파는 블랙홀이나 중성자별 충돌과 같은 우주에서 가장 에너지가 큰 사건에 의해 생성된 시공간의 잔물결이다. 그러나 모든 중력파가 그런 극적인 사건에서 오는 것은 아니다. 확률적 중력파라고 알려진 다른 유형은 거대한 물체를 포함하지 않는 다양한 과정에서 발생한다.

이러한 파동은 훨씬 약하며 우주를 채우는 배경 신호의 일부를 형성한다. 그 중 다수는 빅뱅 이후 초기 단계로 거슬러 올라가는 매우 오래된 것이다. 이들은 우주가 냉각됨에 따른 상전이나 원시 자기장 등 우주 역사의 중요한 순간에 생성되었을 수 있다.

"이 논문에서 우리는 초기 우주에 널리 퍼져 있었을 것으로 믿어지는 중력파가 부분적으로 암흑 물질 입자로 변환될 가능성을 조사합니다"라고 코프는 설명했다. "이는 이전에 연구된 적이 없는 새로운 암흑 물질 생성 메커니즘으로 이어집니다."

연구는 이러한 초기 중력파가 처음에는 질량이 거의 없거나 전혀 없는 페르미온을 생성했을 수 있다고 제안한다. 페르미온은 전자, 양성자, 중성자와 같은 친숙한 예를 포함하는 광범위한 입자 부류다. 연구자들에 따르면, 이 초기 페르미온은 나중에 질량을 얻어 오늘날 존재하는 암흑 물질 입자로 진화했을 수 있다.

"이 연구 라인을 발전시키기 위한 다음 단계는 분석적 추정을 넘어 수치 계산을 수행하여 예측의 정확성을 높이는 것입니다. 미래 연구의 또 다른 방향은 초기 우주에서 중력파의 추가 가능한 효과를 조사하는 것입니다. 한 예로 입자와 반입자 사이의 잘 알려진 차이를 설명할 수 있는 메커니즘이 있습니다"라고 코프는 말했다.