물리학자들, 중력파 하나가 암흑 물질의 숨바꼭질일 수도 있다고 발견

암흑 물질, 우주에서 가장 유명한 보이지 않는 하우스게스트는 우주 물질의 대부분을 차지한다고 여겨지지만, 아무도 그것을 보거나 만지거나 RSVP를 받을 수 없다. 일반 물질과 달리 빛이나 전자기력과 상호작용하지 않아 중력만이 그 존재를 감지할 수 있는 유일한 방법이다. 이제 연구자들은 충돌하는 블랙홀이 마침내 이 파악하기 어려운 물질이 모습을 드러낼 이유를 제공할 수 있다고 생각한다.

MIT와 여러 유럽 기관의 물리학자들은 중력파 속에 숨겨진 암흑 물질 신호를 찾는 방법을 개발했다. 중력파는 블랙홀 같은 거대 물체가 나선형으로 모여 합쳐질 때 발생하는 시공간의 잔물결이다. 만약 그 블랙홀이 충돌 전에 밀도 높은 암흑 물질 구름을 통과한다면, 결과로 생기는 중력파는 그 상호작용의 미묘한 흔적을 담을 수 있다. 마치 우주의 손자국이 창문에 남는 것처럼. 연구팀은 블랙홀 합병과 다른 먼 우주 현상을 모니터링하는 국제 중력파 관측소 네트워크인 LIGO-Virgo-KAGRA(LVK)의 공개 데이터를 사용해 접근법을 테스트했다.

연구자들은 LVK의 첫 세 번의 관측 실행에서 신호를 분석하여 지금까지 감지된 가장 명확한 중력파 사건 28개에 초점을 맞췄다. 27개의 사건에서 신호는 블랙홀이 빈 공간에서 합쳐질 때 과학자들이 예상하는 것과 일치했다. 진공 상태에서는 평소와 다름없는 일이다. 그러나 GW190728로 알려진 하나의 신호는 다르게 나타났다. 연구팀의 분석에 따르면, 그 중력파의 패턴은 암흑 물질과의 상호작용 증거를 포함할 수 있다. 연구자들은 이것이 확인된 발견으로 간주되지 않는다고 강조한다. 우주 미제 사건에서 유망한 단서에 가깝다.

"우리는 암흑 물질이 우리 주변에 있다는 것을 압니다. 그 효과를 보기 위해서는 충분히 밀도가 높아야 합니다." MIT 물리학과 박사후 연구원 Josu Aurrekoetxea가 말한다. "블랙홀은 이 밀도를 높이는 메커니즘을 제공하며, 우리는 이제 블랙홀이 합쳐질 때 방출되는 중력파를 분석하여 이를 탐색할 수 있습니다." 이 연구 결과는 Physical Review Letters에 게재되었으며, Aurrekoetxea, 벨기에 Université Catholique de Louvain(UCLouvain)의 LVK 회원 Soumen Roy, 암스테르담 대학의 Rodrigo Vicente, Queen Mary University of London의 Katy Clough, 옥스퍼드 대학의 Pedro Ferreira가 공동 저자이다.

암흑 물질은 여전히 물리학의 가장 큰 난처함 중 하나다. 과학자들은 은하 주변의 중력이 보이는 물질만으로 설명할 수 있는 것보다 더 강하기 때문에 그 존재를 추론하며, 중력 렌즈 관측은 빛을 휘게 하는 추가 질량을 보여준다. 현재 추정에 따르면 암흑 물질은 우주 물질의 85% 이상을 차지할 수 있지만, 연구자들은 여전히 그것이 실제로 무엇인지 모른다. 제안된 한 형태는 '가벼운 스칼라' 입자라고 불리는 극도로 가벼운 입자를 포함하며, 이론에 따르면 블랙홀 근처에서 조정된 파동처럼 행동할 수 있다. 과학자들은 이 파동이 빠르게 회전하는 블랙홀을 만나면 블랙홀의 회전 에너지가 암흑 물질 파동으로 전달되어 밀도를 극적으로 증가시킬 수 있다고 믿는다. 이 과정은 초복사라고 불리며, 크림을 휘저어 버터를 만드는 것에 비유된다. (암흑 물질이 버터 맛인지는 모르지만, 비유는 맞다.) 밀도가 충분히 높아지면 암흑 물질이 블랙홀이 충돌할 때 생성되는 중력파를 변경할 수 있다.

이를 조사하기 위해 연구자들은 블랙홀의 질량과 크기, 주변 암흑 물질의 양과 밀도 등 다양한 조건에서 블랙홀 합병의 상세한 시뮬레이션을 구축했다. 그 시뮬레이션을 사용하여 연구팀은 블랙홀이 진공이 아닌 밀도 높은 암흑 물질 환경 내에서 합쳐질 경우 중력파가 어떻게 나타날지 예측하고, 그 파동이 수백만 광년을 건너 지구에 도달하는 동안 어떻게 변할지 설명했다. 그들의 예측을 실제 LVK 관측과 비교한 결과, GW190728은 28개 중 암흑 물질의 흔적을 보인 유일한 사건이었다.