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천문학

우주 모든 곳에 암흑물질을 가정하는 이유는?

우주 모든 곳에 암흑물질을 가정하는 이유는? 

(Why is Dark Matter everywhere in the cosmos?)


      왜 우주에 암흑물질(dark matter)이 존재한다고 가정되고 있는 것일까? 언론매체에서 가끔씩 보도되고 있는 뉴스의 제목을 읽다보면, 당신은 암흑물질이 사실로 밝혀지고 있다고 생각할 것이다. 그리고 이제 이 알기 어려운 물질에 대해, 과학자들이 많은 지식을 축적했을 것이라고 생각할 것이다. 그러나 암흑물질은 40년 이상 여러 실험실 실험에서 연구되었지만, 결코 발견되지 않았다. 왜 천문학자들은 그것이 우주에 있다고 확신하는 것일까? 나는 그 이유를 이 글에서 살펴보려고 한다. 그리고 여러분도 그것에 대해 확실히 알기를 바란다.



솜브레로 은하(Sombrero Galaxy). NASA/ESA and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)


두 가지 유형의 물리학

물리학 분야에는 두 가지 유형의 과학자들이 있다.

1. 실험실에서 실험을 수행하는 실험물리학자(experimental physicists)
2. 우주를 '실험실'로 이용하는 천체물리학자 또는 우주론자(astrophysicists or cosmologists).

두 그룹 모두 그들의 관측을 설명하기 위해서, 수학적 모델을 구축한다. 두 모델 모두 그들의 관측치를 가지고 그 모델을 테스트한다.

그러나 실험물리학자(유형 1)들은 천체물리학자들이 할 수 없는 방식으로, 그들의 실험과 상호 작용을 할 수 있다. 예를 들어, 그들은 가벼운 신호를 보내고, 시스템에서 반응을 측정할 수 있다. 즉, 무엇이 나오는 지를 보는 것이다. 그러나 천체물리학자(유형 2)들은 우주에서 관찰하고 있는 것과 상호 작용을 할 수 없다. 우주는 너무 커서 그렇게 할 수가 없는 것이다.

오늘날 과학자들은 태양계 내를 관측하기 위해서 관측위성(probes)을 내보낼 수 있게 되었다. 예를 들어, NASA의 딥 임팩트(Deep Impact) 탐측기는[1] 혜성에 370kg의 구리 탄환을 발사하고[2], 방출된 물질의 스펙트럼을 측정했다.[3] 그리고 ESA의 로제타(Rosetta) 우주선은 혜성에 로봇 착륙선인 필레(Philae)를 착륙시켰으며, 처음으로 혜성표면의 성분들을 직접 측정할 수 있었다. 이러한 유형의 측정은 실험자가 실험실에서 수행하는 것과 매우 유사하다고 말할 수 있다. 그러나 ESA 웹사이트에서 발췌한, 그 미션의 목표는 어떤 과학 유형인지를 알 수 있게 해준다 :

로제타의 주요 목적은 태양계의 기원과 진화를 이해하는 것이다. 혜성의 구성 성분은 46억 년 전 태양과 태양계 행성들이 형성됐던, 태양 이전의 가스구름의 구성을 반영하는 것이다. 그러므로 로제타와 그 착륙선에 의한, 혜성 67P/추류모프-게라시멘코 (comet 67P/Churyumov-Gerasimenko)에 대한 심층적인 분석은 태양계가 어떻게 형성되었는지를 이해하는데 필수적인 정보를 제공할 것이다.[5]

거기에는 기본적인 가정(assumptions)들이 깔려 있다. 위의 말은 그 미션을 수행하는 과학자들은 태양계는 46억 년 이상 전부터 있었던 가스구름으로부터 진화되었다고 믿고 있음을 분명히 나타내고 있는 것이다. 그것은 실험해볼 수 없는 기본 가정이다. 그들은 혜성의 표면을 파헤쳐 물질들을 측정하는 것이, 그들의 원래 가정인 태양계의 진화적 기원을 이해하는 데에 도움이 될 것이라고 믿고 있다.

아무리 많은 증거들이 축적된다 하더라도, 과거를 직접 관측할 수는 없다. 가정 없이 어떠한 것도 확실히 말할 수 없다. 그들은 그 혜성에서 파헤쳐서 분석한 물질적 증거에 대해, 항상 해석을 해야 하는 것이다.

천체물리학의 경우에서도, 당신은 천문학자들이 과거를 관측하고 있다고 생각할 수 있다. 왜냐하면 그의 망원경으로 들어오는 빛이 광대한 우주를 가로질러 지구로 오는 데에 수백만 년 또는 수십억 년이 걸렸다고 추정하고 있기 때문이다. 그러나 이것조차도 우리가 알 수 있는 것에 한계가 있다.

천문학자들은 지구상의 망원경으로 별빛을 볼 때, 빛이 지난 수백만 년 또는 수십억 년 동안 항상 일정한 속도(약 30만 km/s)로 지구로 이동하여 도달했다는 동일과정설적 가정을 해야만 한다. 상대론적인 시간 팽창(time dilation, 시간의 지연, 또는 시간의 느려짐) 효과는 없었다고 말이다. 그 가정을 한 후에야, 그는 그가 관측한 빛이 과거 수백만 년 또는 수십억 년 전의 빛이라고 추정할 수 있는 것이다. 그러나 어떻게 그 가정을 테스트해볼 수 있는가? 할 수 없다! 이러한 이유로, 천체물리학/우주론(astrophysics/cosmology)에서 사용되는 이러한 가정들은 경험적 실험에 의해 직접 증명될 수 없다.

태양계 밖의 모든 관측들에 대해서, 그 문제는 논의를 넘어서는, 가정에 기초한 추정인 것이다. 당신은 거기로 갈 수 없다. 은하계와 다른 우주 천체들의 크기, 거리, 나이 등은 너무 커서, 우리가 측정하는 것조차도 마치 하나의 스틸 사진을 찍는 정도인 것이다. 그것은 단지 잠시의 시간인 것이다.

천문학자들은 실험실의 실험물리학자가 할 수 있는 것처럼, 실험을 통해 상호 작용할 수 없는 사실들을 관측한다. 그리고 천체물리학자나 우주론자에게 문제를 더욱 어렵게 만드는 이유는 동일한 관측에 대해 가능한 많은 설명들이 있다는 것이다. 그러나 그들이 조사 중인 천체와 상호 작용을 할 수 없기 때문에, 그들의 과학은 정말로 매우 취약하다. 슬로안 디지털 스카이 서베이(Sloan Digital Sky Survey, SDSS)의 공동설립자인 제임스 건(James Gunn)은 바로 이 이유 때문에 다음과 같이 말했다 :

”우주론은 과학처럼 보일 수도 있지만, 과학이 아니다. ... 과학의 기본 교리는 반복적인 실험을 할 수 있어야 하는 것이다. 그러나 우주론에서는 그렇게 할 수 없다.”[6]


중력에 대해 우리가 알고 있는 것은?

이제 다음의 문장을 살펴보자.

”우주에 있는 어떤 두 물체 사이에 인력이 존재한다.”

이 말은 입증될 수 있는가? 그렇다. 입증될 수 있다. 국지적으로 중력을 시험해볼 수 있고, 작동한다. 실제로 매우 잘 작동되며, 심지어 1cm 이하의 거리에서도 실험적으로 증명되었다.[7] 과학자들은 실험실 실험에서도 강력한 증거를 찾아냈다. 사실, 새로운 물리학은 이 보다 작은 거리 규모에서도 찾고 있다. 왜냐하면 양자 이론(quantum theory)과 아인슈타인의 중력이론(gravitational theory)은 근본적으로 양립할 수 없기 때문에, 궁극적으로 중력법칙을 깨뜨려야한다고 믿어지고 있기 때문이다. 그러나 이러한 모든 조사들은 반복 가능한 실험물리학을 통해 수행된 것이다. 다른 이론들도 실험자들에 의해서 실험해볼 수 있고, 실험 중이다.

한 실험자가 실험실에서 실험한 중력에 대한 그의 결론을 우주 전체에 안전하게 외삽할 수 있을까?

중력의 법칙을 지지하는 증거들이 축적되어 왔다. 어쨌든 아인슈타인의 공식은 반복적으로 실험되었고, 모순은 발견되지 않았다. 이것이 이제 법칙이라고 불리는 이유이다. 그 법칙은 흔히 만유인력의 법칙이라고 불린다.

한 실험자가 실험실에서 실험한 중력에 대한 그의 결론을 우주 전체에 안전하게 외삽할 수 있을까? 아니다. 그것은 어떤 가정(assumptions)들을 하지 않고는 외삽할 수 없다. 거기에 문제가 있는 것이다.

다음으로, 우리는 '증거'가 의미하는 바를 결정해야한다. 일반적으로 증거는 수집된 데이터이다. 그러나 그 데이터들은 반드시 해석되어야만 한다. 그리고 예측을 할 수 있도록 모델이 구축된다. 실험실에서 실험자들은 그러한 예측을 실험해볼 수 있다. 그러나 우주에서 이것은 가능하기는 하지만, 어렵다. 모델은 특정 행동의 존재를 예측할 수 있으며, 천체물리학자는 이것을 찾는다. 그러나 그것은 실험실 과학보다 '우표 수집'에 가깝다. 그는 실험을 할 수 없기 때문에, 가급적 많은 관측들을 축적하고, 그 결과들을 분류하려고 한다. 그는 그가 관측한 천체들을 그룹으로 나누고, 그룹 내의 공통적 특성을 가진 계열들을 확인한다. 그러한 많은 데이터들을 축적함으로써, 그는 자신의 모델에 대해 주장할 수 있다. 그러나 그는 경험적 실험을 통해 결론을 내릴 수 없기 때문에, 필연적으로 언제나 취약하다.

자, 당신이 ”우리 은하 내부의 암흑물질에 대한 증거”라는 제목의 기사를 읽었다면[8], 어떻겠는가? 이것과 관련된 무슨 증거가 나왔다는 것인가? 그리고 암흑물질이 존재한다는 것을 어떻게 알았다는 것일까? 그러한 제목을 가진 2015년 기사는 다음과 같이 말했다 :

”우리 은하(Milky Way) 바깥 부분에 암흑물질의 존재는 잘 확립되어 있다. 그러나 태양계가 있는 가장 깊은 지역에 암흑물질의 존재를 확인하는 것은 지금까지 매우 어렵다는 것이 입증되었다. 이것은 은하계 내의 우리의 위치에서 가스와 별의 회전을 필요한 정밀도로 측정하는 것이 어렵기 때문이다.”

”우리는 새로운 연구에서, 우리 은하의 가장 안쪽 부분에 있는 암흑물질의 존재에 대한 직접적인 관측 증거를 처음으로 얻었다. 우리 은하에서 가스와 별의 움직임에 대한 발표된 측정치들 중 가장 완벽한 수집을 했고, 측정된 회전속도를 은하계에서 단지 빛을 내는 물질만이 존재한다는 가정 하에 예상되는 회전속도와 비교했다. 관측된 회전속도는 많은 양의 암흑물질이 우리 주위에 존재하지 않는다면, 그리고 우리와 은하계 사이에 존재하지 않는다면 설명될 수 없다”라고 스톡홀름 대학 물리학과의 미구엘 파토(Miguel Pato)는 말한다.[9]

중력에 대한 물리학을 상세하게 언급하지 않고, 항성(별)과 같은 천체들이 왜 은하계의 중심을 돌고 있는 이유는 무엇일까? 이러한 의문에 대한 비판적 검토는 많은 것을 학습할 수 있게 해준다.

암흑물질 입자는 40년 이상의 탐색에도 불구하고, 실험실 실험에서 관찰된 적이 없다.

암흑물질(dark matter)은 그것을 볼 수 없기 때문에, 암흑이라고 불린다. 암흑물질 입자는 40년 이상의 탐색에도 불구하고 실험실 실험에서 관찰된 적이 없다. 나 자신도 심지어 몇 년 동안 WISPs로 분류되는, 추정되는 암흑 영역의 입자인 ‘paraphotons’를 찾기 위한 시간을 보냈었다.

소위 암흑물질 입자가 빛, 또는 X-선, 또는 다른 전자기파에 의해 관측될 수 있다면, 그 식별은 쉬울 것이다. 그러나 위 기사의 저자는 어떻게 ”직접적인 관측 증거”라고 주장할 수 있는 것일까? 어떻게 ”은하 바깥 부분에 암흑물질의 존재는 잘 확립되어 있다”고 주장할 수 있는 것일까? 그들은 암흑물질을 관측하지 못했으며, 어떤 방사선을 가스구름으로 내보내고, 그 반응을 되돌려 받는 것과 같은 실험을 하지 않았다.

실험자는 다른 방법으로는 볼 수 없는 입자를 탐지하는 것과 같은, 어떤 실험을 해야만 할 것이다. 그래서 어떤 방사선에 대한 반응이 나타난다면, 그것은 존재한다는 것을 의미한다. 그것은 사람이 자신의 눈으로 볼 수 있어야만 한다는 것을 의미하지는 않는다. 예를 들어 전자가 존재한다는 것을 알 수 있다. 그것은 논란이 되지 않으며, 많은 실험들에 의해서 그 존재가 반복적으로 확인되었다. (흥미롭게도, 우리는 그들이 얼마나 작은지 알지 못한다. 그것은 여전히 공개된 질문이다.)

보이지 않는 다량의 암흑물질을 가정하지 않는다면, 은하계에서 일어나는 관측은 설명될 수 없다는 주장을 어떻게 할 수 있는 것일까? 그러한 주장을 하기 위해서는, 다른 모든 가능성들을 조사해보고, 배제시켰다는 것인데, 그것을 어떻게 보장한단 말인가? 이 경우 실험실 실험이 아니라는 것을 기억해야 한다. 그러한 주장을 하기 위해서는, 모든 것을 아는 신이 되어야 한다.

은하계의 가스와 별들로부터 오는 빛은 망원경으로 관측되지만, 더 구체적으로 관측되는 것은 그 광원들로부터 오는 빛의 스펙트럼 선(spectral lines)들이다. 그리고 그들은 적색편이(red-shifted), 또는 청색편이(blue-shifted) 된 것으로 보여진다.(스펙트럼 선이 실험실에서 동일한 유형의 가스 시료와 비교하여 적색 끝 또는 청색 끝으로 이동된다.) 이들 효과는 잘 확립된 도플러 효과(Doppler Effect)에 의해서 발생하는 것으로 해석된다. 가스 입자(또는 별)의 움직임이 빛에서 이 도플러 효과를 일으키는 것이다. 그리고 그것은 가스와 별이 은하 중심부 주변을 특정 속도(일반적으로 100~300km/s)로 움직이는 것을 의미한다고 해석된다.

그 해석에도 몇 가지 가정(assumptions)이 필요하다. 그러나 한 가정만을 제외하고, 모든 것들은 합리적이고 알려진 실험물리학 내에 있다. 그 한 가정은 가스나 별들이 있는 은하에서도 중력의 법칙이 사실일 것이라는 가정이다. 즉, 태양계 내에서 매우 잘 확립된 중력의 법칙이, 은하계와 그 밖의 우주에서도 수정 없이 적용될 수 있을 것이라는 가정이다.

이 사진은 남반구에서 볼 수 있는 우리 은하. 은하계 원반의 사진 위로 추적하는 가스나 별의 회전곡선을 나타내고 있다.[11] 추적자(tracer)는 태양에 대한 상대적 도플러운동에 따라 파란색 또는 빨간색으로 색상이 지정된다. 구형의 대칭적 푸른 후광은 분석에서 유추된 암흑물질 분포를 보여준다. (Serge Brunier/NASA fig1)

그러나 그 법칙이 우주 모든 곳에서 보편적인지는 알 수 없다. 그러나 그것이 보편적일 것으로 가정하고, 은하의 모델이 만들어지는 것이다. 관측된 속도(그리고 그 속도는 이곳에서 동의하고 있는 적색편이 및 청색편이의 의미로 해석되는)가 예상되는 경향을 따른다면, 우리는 모든 것이 좋고, 뉴턴의 법칙(중력)은 잘 작동된다고 말할 수 있다. 그러나 문제는 그것들은 예상과 다르다는 것이다. 별과 가스는 뉴턴의 법칙이 예상하는 것과 다르게, 은하 주변을 너무 빨리 움직인다는 것이다. 그 상황이 수억 년 동안 계속되었다면, 은하계의 원반 영역에 있는(우리 태양계가 위치한) 별들은 멀리 날아가 버렸을 것이고, 장구한 시간이 흘렀다면  은하계는 분해되었어야 하는 것이다. 그러나 은하계가 안정되어 있고, 100억 년 이상의 나이로 추정되고 있기 때문에, 그 예상은 맞지 않는다는 것이다.

따라서 결론은 중력의 법칙이 잘못되었거나, 은하에는 우리가 볼 수 없는 더 많은 물질이 있다는 것이다. 그래서 거의 항상 은하에는 은하 질량의 80-90%를 차지하는 숨어있는 암흑물질이 있다고 가정되는 것이다.[12] 과거에 천문학자들은 내태양계에서 수성 궤도의 이상을 설명하기 위해서, 암흑 행성인 벌컨(Vulcan, 그 당시의 암흑물질)이 필요하다고 생각했었다.[13] 그러나 뉴턴의 법칙을 개선하고 추가시킨 아인슈타인의 발견으로 그것은 필요하지 않았다. 따라서 알지 못하는 새로운 물질을 발명해내는 것보다, 뉴턴의 물리학을 개선했던 아인슈타인의 물리학처럼, 새로운 물리학을 생각하는 것이 오히려 합리적일 것이다. 그러나 오늘날의 뉴스 제목들은 마치 암흑물질을 직접 관측한 것처럼, 암흑물질을 발견했다고 과대 선전하는 경향이 있다.

따라서 알지 못하는 새로운 물질을 발명해내는 것보다, 뉴턴의 물리학을 개선했던 아인슈타인의 물리학처럼 새로운 물리학을 생각하는 것이 오히려 합리적일 것이다.

한 뉴스의 제목은 ”우리 은하의 중심부에서 암흑물질이 관측되었다”이었다.[14] 그리고 그 기사는 ”그러나 지금까지는 가장 안쪽 지역에 암흑물질의 존재를 확인하는 것이 매우 어렵다는 것이 입증되어왔다.”[15]라고 말한다. 당신은 그것이 모두 잘 확립된 과학이라는 인상을 받는다. 이것은 은하 중심핵의 양쪽에 나타난 적색편이 및 청색편이 별들을 가진 우리 은하를 보여주는 위의 그림에서 나타나있다.

또 다른 뉴스는 ”우리 은하는 이전에 생각했던 것보다 절반 양의 암흑물질을 가지고 있음이 새로운 측정으로 밝혀졌다”라는 제목을 갖고 있었다.[16] 이 이야기는 우리 은하 주위에 많은 왜소한 위성은하들이 있으며, 그 움직임에 따라 우리 은하의 질량이 결정될 수 있다는 것이다. 이것은 중요하다. 왜냐하면 표준 우주론에 따르면, 은하의 질량은 그것의 형성 과정에 의해서 결정되며, 그 형성 과정은 가정되고 있는 우주론으로부터 결정되기 때문이다.

이러한 이야기들에서, 소위 ‘측정’이 한 미스터리가 해결했다고 주장한다. 기억해야할 것은 빅뱅모델은 가정되고 있는 것이다. 그들의 주장은 ‘람다 차가운 암흑물질 이론(Lambda (Dark Energy) Cold Dark Matter theory)’이라고 불리는 것이다. 이것은 육안으로 볼 수 있는 우리 은하 주위에 몇 개의 큰 위성 은하가 있어야한다고 예측한다. 그러나 그것은 우리가 관측하는 것이 아니다. 그러나 새로운 측정은 그 문제를 해결했다고 추정하고 있었다 :

암흑물질의 질량에 대한 우리의 측정을 사용한다면, 이론은 단지 3개의 위성은하가 있어야만 하는 것을 예측한다. 이것은 정확하게 우리가 보고 있는 것이다. 즉 대마젤란운(Large Magellanic Cloud), 소마젤란운(Small Magellanic Cloud), 궁수자리 왜소은하(Sagittarius Dwarf Galaxy) 이다.

연구에 참여한 시드니 대학의 천체물리학자인 게레인 루이스(Geraint Lewis) 교수는 이 잃어버린 위성은하 문제(missing satellite problem)는 ”거의 15년 동안 우주론적 측면에서 가시”가 되어왔었다고 말했다.[17]

첫째, 이론을 공식화하기 전에, 알고 있는 어떤 것도 예측될 수 없다. 그것은 예측이 아니다. 둘째, 암흑물질은 관측될 수 없다. 암흑물질의 '양'은 왜소은하 및/또는 우리 은하의 별과 가스들의 움직임으로부터 추정되는 것이다. 그러나 비정상적 움직임의 원인이 '잃어버린 암흑물질' 때문이라고 가정되고 있었다.

뉴스 기사로부터, 당신은 암흑물질이 직접적으로 관측되었다고 생각할 것이다. 하지만 그렇지 않다. 그러나 그것이 왜 그렇게 중요한가? 로제타 우주 탐측기가 태양계의 기원에 대해 발견했다고 말하는 것처럼, '암흑물질 매핑(mapping)'은 은하계의 진화를 발견하는 것이라고 생각하고 있다.

”우리의 방법은 전례가 없는 정밀성으로, 우리 은하에서 암흑물질의 분포를 측정하기 위한, 미래의 천문 관측들을 허용할 것이다. 이것은 우리 은하의 구조와 진화에 대한 우리의 이해를 다듬을 수 있게 해줄 것이며, 암흑물질 입자를 찾고 있는 전 세계의 많은 실험들에 대해, 보다 견고한 예측을 촉발할 것이다. 그러므로 이 연구는 암흑물질의 본질에 대한 탐구에 앞서서, 하나의 기본적인 단계를 구축하는 것이다.”라고 미구엘 파토는 말한다.[18]

암흑물질은 실험실 실험에서 결코 확인되지 않았지만, 존재하는 것으로 이미 간주되고 있다. 동일한 유형의 분석이 은하, 위성은하, 은하단, 초은하단 뿐만 아니라, 우주 전체에 적용된다.

암흑물질은 결코 관측되지 않고 있다. 다만 만유인력 법칙의 가정 하에 '입자'들의 움직임으로 추론되고 있는 뿐이다.

또 다른 기사의 제목은 ”은하단(galaxy cluster)에는 너무 많은 암흑물질? ‘암흑코어'는 결국 그렇게 어둡지 않을 수도 있다”였다.[19] 은하단이 분석될 때, 암흑물질은 은하단이나 구성하는 은하들에 있는 기체의 '움직임' 또는 특성을 통해서, 그 존재가 가정된다. 암흑물질은 결코 관측되지 않았다. 단지 보편적인 중력의 법칙(만유인력 법칙)의 가정 하에, '입자'들의 움직임으로 인해 추론되고 있을 뿐이다.

중력을 포함하여 잘 정립된 법칙들을 적용하여, 은하단이 수십억 년의 나이에서도 안정적일 것이라는 가정에 기초하여, 예상했던 것보다 암흑물질이 부족한 것으로 결정하는 것이다. 이 모든 것은 이들 슈퍼 질량의 천체들에 대해서, 중력의 법칙을 적용하기 때문에, 그리고 동일과정설적 해석을 적용하기 때문에 발생하는 것이다. 이것들 중 어느 것도 입증될 수 없다.

”암흑물질은 보이지 않기 때문에, 그것의 존재와 분포는 중력효과를 통해서 간접적으로 발견된다. 암흑물질과 빛을 내는 정상물질의 중력은 거대한 돋보기처럼, 은하와 그 뒤에 있는 은하단으로부터의 빛을 굴절시키고 왜곡시키며, 공간을 뒤틀어 놓는다. 천문학자들은 거대한 은하단에서 암흑물질의 존재를 추론하기 위해서, 중력렌즈(gravitational lensing)라고 불리는 효과를 사용한다.”[20]

이 연구에서 Abell 520 은하단의 관측에, 아인슈타인의 개선된 중력이론에서 나온 어떤 것이 사용되었다. 이것은 뉴턴의 이론에서는 발견되지 않았었다. 그 이론에서 그것은 중력렌즈 효과(gravitational lensing)로서, 은하단의 물질들은 우주 공간을 통과하는 빛의 경로를 왜곡하는 거대한 렌즈라고 생각할 수 있다. 암흑물질을 사용하여 중력렌즈를 모델링함으로써, 그들은 이론을 관측과 일치시키려고 노력했고, 따라서 은하단에서 암흑물질의 존재를 추론하고 있었다. 그들은 암흑물질의 '직접적인' 영상이라고 주장하지 않는다.

이것은 본질적으로 순환논법(circular reasoning)이다. 그것은 이렇게 진행된다. 우주는 안정적이며, 은하들과 은하단을 만들면서, 100억 년 이상 동안 진화해왔다. 은하와 은하단을 '창조'했던 유일한 주체는 그 물질에 작용하는 중력의 법칙이었다. 그것은 가정되는 우주론의 배경에 깔려있는 기본적 가정이다. 이것은 또한 가장 기괴한 재료인 암흑에너지(Dark Energy)를 포함한다. 그런 다음 관측치를 이론 모델에 맞추기 위해서, 암흑물질을 포함시켜야하며, 그렇지 않으면 모델을 폐기해야한다. 따라서 암흑물질의 '존재'는 처음부터 전제되어 있는 동일과정설적 가정(uniformitarian assumption)의 생산품(product)인 것이다. 우주 스스로가 중력의 영향 하에서 오직 물질만으로 은하와 은하단들을 만들었기 때문에, 보이지 않는 엄청난 양의 암흑물질들이 있어야만 하는 것이다.

대안적으로, 만약 은하들이 수십억 년의 나이를 갖지 않는다면, 그리고/또는 은하들이 오랜 기간 동안 안정된 상태가 아니었다면, 암흑물질을 포함시킬 필요가 없는 것이다. 또는 은하들이 나선 구조를 갖은 채로 수억 년 동안 존재했다 할지라도(성경적 창조론자들은 시간 팽창(시간의 느려짐) 우주론에서 그것이 가능하다고 말한다. 즉 지구 시계에 비해 우주 시계가 매우 빠르게 흘러갔다면), 은하들이 안정되어 있었을 가능성이 있으며, 우주의 초거대 스케일에서 중력의 법칙을 확장하는 새로운 물리학이 적용되었을 다른 가능성이 있는 것이다.

이러한 개념은 우주가 대략 6000년 전에(지구 시계로 측정된 값) 창조되었다는 것을 분명히 밝히고 있는 창세기의 기록된 그대로의 해석과 일치할 수 있다. 왜 암흑물질에 호소해야 하는가? 그러한 주장은 궁극적으로 우주가 자연적 과정으로 저절로 만들어졌고, 창조주 하나님은 없다고 믿는, 진화론적 물질주의 때문이다.


암흑물질 영역에서의 빛

그러나 일부 과학자들이 우주에서 암흑물질 입자로부터 나오는 복사선(radiation)을 검출했다고 주장할 수도 있다. 나는 이전에 은하들 사이의 매질에서, 어떠한 근원도 밝혀지지 않은 곳에서, 너무 많은 빛이 나와, 어떤 가상의 암흑물질 입자가 붕괴된 결과로서 이론화하는 아이디어를 보고한 적이 있었다. 이것은 이론과 관측 사이의 불일치에 의한 것으로, 따라서 암흑물질이 해결책으로 제시됐었다.

이제 당신은 암흑물질 입자를 추정하는 것이 얼마나 편리하며, 실제로 암흑의 영역에서 나오는 어떠한 것도 쉽게 암흑물질 때문이라고 말해지는 것을 깨달았을 것이다. 기본으로 전제된 이론을 기각시킬 필요 없이, 그 이론과 틀린 관측이나 누락된 관측들을 쉽게 설명해버리는 것이다.

예를 들어, ”암흑물질 탐색을 위한 희미한 빛”[21] 또는 ”연구자들은 암흑물질의 가능한 신호를 탐지하다”[22] 라는 기사를 읽어보면, 천문학자들은 이렇게 주장하고 있었다 :

”... 은하단과 은하의 스펙트럼에서 암흑물질의 간접적인 신호를 발견했다... 그들은 동일한 결론을 내렸다. 페르세우스 은하단의 X-선 스펙트럼에 작은 스파이크가 숨겨져 있었다. 어떤 알려진 원자 변이로도 설명할 수 없는 빈도로 말이다.”[23]

분명히 두 그룹의 천문학자들은 다른 은하단에서 오는 일부 X-선들 중 한 신호를 발견했다. 알려진 물리학으로는 설명할 수 없기 때문에, 암흑물질로 결론짓는 것이다.

연구자들은 다른 알려진 중성미자(neutrinos)와 상호 작용이 없기 때문에, '비활성'이라고 불리는, 새로운 종류의 중성미자가 붕괴되는 것으로 보았다. 비활성 중성미자(sterile neutrino)는 질량을 가지고 있기 때문에, 잃어버린 암흑물질에 책임을 지울 수 있다.'[24]

나는 이전에 표준 빅뱅 우주론이 사실이라고 가정할 때, 입자물리학의 표준 모델을 구조하기 위해 제안된 암흑복사(Dark Radiation)라 불리는, 가설적인 비활성 중성미자에 대해 논의했었다. 그 문제는 본질적으로 오직 우주론과 천체물리학에서만 발생한다. 왜냐하면 반복적 실험을 통해 실험실에서 매우 잘 테스트된, 매우 성공적인 입자물리학 이론에서는, 또 다른 중성미자를 필요로 하지 않기 때문이다. 

우주에서 암흑물질을 찾는 목표는 무엇인가? X-ray 연구에 참여했던 과학자 중 한 사람인 보야르스키(Boyarsky)는 다음과 같이 말했다 :

”우주에서 암흑의 구조들을 추적하기 위해서 어디를 봐야하는지 알게 될 것이며, 우주가 어떻게 형성되었는지를 재구축할 수 있을 것이다.”[25]

내가 더 말할 필요가 있겠는가? 그것은 철학에 의해서 추진되고 있는 것이다. 유물론적 자연주의(materialistic naturalism)는 모든 곳에서 기본적 철학이 되고 있으며, 암흑물질은 그러한 세계관을 유지하기 위해 사용되고 있는, 알지 못하는 간격의 ‘신’인 것이다.


은하 형성에 있어서 기본적 요인 암흑물질

암흑물질은 항성과 은하들의 형성(탄생)에 결정적 요인이다. 암흑물질이 없다면, 항성과 은하들은 자연적 과정으로는 결코 형성되지 않는다. 나는 별의 형성에 대해 다른 글에서 다룰 것이지만, 이것을 고려해 보라. 만약 별과 은하가 어떻게 형성됐는지 알지 못한다면, 관측하고 있는 우주가 어떻게 형성되었는지, 잘 알지 못할 것이다.

은하 형성은 빅뱅 우주론에서 심각한 문제이다.

자연적 과정에 의한 은하 형성(galaxy formation)은 빅뱅 우주론에서 심각하고 커다란 문제이다. 우주에서 거대한 규모의 구조물(초은하단, 은하필라멘트 등)에 대한 모델 컴퓨터 시뮬레이션에서, 암흑물질은 처음부터 가정되고 있다. 개별 은하의 수축에 있어서도 암흑물질은 가정된다. 암흑물질의 임계 밀도에서 시작하여, 모델은 중력 하에서 은하 형성(탄생)을 나타낼 수 있다. 거기에서 암흑물질은 은하를 형성하기 위해서, 중심 영역으로 정상물질들을 끌어당긴다.

암흑물질은 빛을 내는 정상물질의 얇은 원반을 가지는 나선은하의 주변에 구형 후광으로 존재해야만 한다. 이 상태는 나선은하의 원반에 있는 수천 개의 가스와 별들의 속도에 대한 연구에 의해서 결정되었다. 그러나 암흑물질 첨점 문제(dark matter cusp problem)라 불리는 문제가 여기에서도 존재한다. 이 문제는 보이지 않는 물질들이 중력 법칙의 영향 하에서 행동하는 물질에서 예측되는 것과 같이 행동하지 않기 때문이다.

암흑물질은 정상물질과 같이 중력의 영향을 받는 것이기 때문에, 그것은 은하의 중심 부근에 쌓여져 있어야만 한다. 암흑물질의 밀도는 중심부에서 최대가 되어야한다. 따라서 그곳에서 밀도 분포에 첨점(cusp) 또는 피크가 되어야만 한다. 그러나 별과 가스의 움직임을 정확하게 모델링하는 데에, 암흑물질은 중앙 코어에서 필요하지 않다. 단지 원반 영역에서만 필요하다. 이들 은하의 중심핵에 있는 눈에 보이는 물질들은 뉴턴의 중력 하나만으로도 쉽게 설명될 수 있다.

따라서 암흑물질의 존재를 추론하는 연구에서도 중력의 영향 하에 물질들이 행동하는 것과 모순된다.


왜소은하(Dwarf Galaxy). NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

왜소은하(dwarf galaxies)들에 관한 한 연구에서 이 문제가 강조되고 있었다 :

”우리의 측정은 왜소은하에서 차가운 암흑물질의 구조에 관한 기본적인 예측과 모순된다. 이론가가 그 예측을 수정할 수 없다면, 차가운 암흑물질은 관측 데이터들과 일치하지 않는다”고 워커(Walker)는 말했다.

”왜소은하는 별처럼 최대 99%의 암흑물질과 단 1%의 정상물질로 구성되어 있다. 이러한 불일치로 인해 왜소은하는 암흑물질을 이해하고자하는 천문학자에게 이상적인 표적이 되고 있다.”

”그들의 자료에 따르면.., 암흑물질은 수백 광년에 걸쳐 비교적 넓은 지역에 균일하게 분포되어 있다. 이것은 암흑물질의 밀도가 은하의 중심 쪽에서 급격하게 증가해야한다는 예측과 모순된다.”

”만약 왜소은하가 복숭아라면, 표준 우주론 모델은 중심부에서 암흑물질의 '커다란 씨(pit)'를 발견해야만 한다고 말한다. 대신, 우리가 연구한 처음 두 개의 왜소은하는 씨가 없는 복숭아와 같다”고 페나루비아(Peñarrubia)는 말했다.[26]

”씨 없는 복숭아”는 이들 은하의 중심부에 암흑물질이 없다는 것을 의미한다. 비록 이들 연구자들이 은하들의 물질 함량의 99%가 암흑물질이라고 암묵적으로 가정하고 있었지만, 그들 자신의 관측(별과 가스의 움직임에 대한 관측)은 암흑물질 패러다임과 적합하지 않았다. 내가 알고 있는 지식으로는, 이러한 연구가 행해지는 모든 은하들에서 그것은 사실이다.


결론

천체물리학과 우주론은 본질적으로 어떤 철학적 토대 위에 작동되는 것이다. 기초 모델을 구축함 없이 어떤 종류의 과학도 할 수 없다. 나는 이 철학을 세계관(worldviews)이라고 부를 것이다. 그리고 우리 모두는 세계관을 가지고 있다. 우리는 이 세계와 그것이 어떻게 시작되었는지에 관해, 우리가 믿고 있는 것을 토대로 세계관을 형성한다. 여기에서 차이점은 본인의 세계관은 창조주 하나님께서 대략 6000년 전에 우주를 창조하셨다는 성경적 진리에 근거하고 있다는 것이다. 그것은 어떤 종류의 사건, 빅뱅, 가짜 진공에서의 양자요동의 결과가 아니었다. 그렇다면 하나님은 성경에 그렇게 말씀하셨을 것이다.

현대 우주론과 우주의 기원에 있어서, 철학적 기초가 되고 있는 세계관은 무신론이다. 거기에 창조주를 위한 자리는 없고, 오직 인간이 자신들이 발견했던 것에만 의존한다. 결과적으로 인간은 자신들의 모델을 우주로부터 오는 증거인, 관측 데이터들에 맞추기 위해서, 모든 종류의 퍼지요인(fudge factors, 날조)들에 의존해야했다. 암흑물질이 이로부터 만들어졌다. 그러나 그러한 문제가 해결된다고 가정했을 때에도, 추정되는 암흑물질은 중력의 영향 하에서 정상물질처럼 행동하지 않는다. 그것은 소설보다 더 이상한 것이고, 벌거벗은 임금님이 입었던 새 옷보다 이상한 것이다.



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References and notes
1. NASA declares End of Deep Impact Comet Hunter Mission, spaceflight101.com, September 2013.
2. Comet Tempel 1.
3. What is spectroscopy?, solarsystem.nasa.gov, accessed February 2015.
4. Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko.
5. Rosetta’s frequently asked questions, esa.int, accessed February 2015.
6. Cho, A., A singular conundrum: How odd is our universe?, Science 317:1848–1850, 2007.
7. Long, J., Tests of Gravity at the 100 Micron Scale and Below, slac.stanford.edu.
8. Evidence for dark matter in the inner Milky Way, sciencedaily.com, February 2015.
9. Ref. 8.
10. Povey, R., Hartnett, J.G., Tobar, M.E., Microwave cavity light shining through a wall optimization and experiment, Phys. Rev. D 82:052003, 2010; Povey, R., Hartnett, J.G., Tobar, M.E., Microwave cavity hidden sector photon threshold crossing, Phys. Rev. D 84:055023, 2011; Parker, S.R. , Hartnett, J.G., Povey, R.G., and Tobar, M.E., Cryogenic resonant microwave cavity searches for hidden sector photons, Phys. Rev. D 88:112004, 2013.
11. Iocco, F., Pato, M., and Bertone, G., Evidence for dark matter in the inner Milky Way, Nature Physics, 2015; DOI: 10.1038/nphys3237. Return to text.
12. It is usually considered ‘alternative,’ sometimes even ‘crackpot’ when the law of gravitation is challenged.
13. Hartnett, J.G., Dark radiation in big bang cosmology11 November 2014; creation.com/dark-radiation.
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19. Too much dark matter in galaxy cluster? ‘Dark core’ may not be so dark after all, sciencedaily.com, November 2012.
20. Ref. 19.
21. Glimmer of light in the search for dark matter, sciencedaily.com, February 2014.
22. Researchers detect possible signal from dark matter, sciencedaily.com, December 2014.
23. Ref. 21.
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26. Dark matter mystery deepens, sciencedaily.com, October 2011.



번역 - 미디어위원회

링크 - http://creation.com/why-dark-matter-everywhere

출처 - CMI, 31 March, 2015 (GMT+10)

구분 - 5

옛 주소 - http://www.kacr.or.kr/library/itemview.asp?no=6658

참고 : 6654|6651|6596|6565|6502|6427|6359|6130|6086|6014|5871|5370|5290|4698|4688|4045|4255|4291|4370|4427|4595|4727|5325|5449|5487|5543|5552|5570|5630|5677|5781|5805|5807|5829|5849|5868|6538|6517|6509|6473|6460|6454|6412|6398|6368|6362|6357|6356|6343|6342|6298|6273|6267|6261|6231|6213|6202|6195|6194|6169|6140|6121|6068|6045|5881|5887|5908|5921|5953|6005|6019|6046|6101|6117|6139|6154|6155|6185|6219|6259|6262|6279|6281|6294|6301|6334|6339|6344|6348|6367|6375|6377|6395|6404|6428|6498|6578|6601|6616|6631



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