암흑물질(Dark Matter)이 원시블랙홀이라고?!
암흑물질(Dark Matter)이 원시블랙홀이라고?!
  • 조송현 조송현
  • 승인 2018.04.10 15:44
  • 업데이트 2018.04.10 00:00
  • 댓글 0
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암흑물질(Dark Matter)이 원시블랙홀이라고?!

암흑물질이란 무엇일까? 아무도 모른다. 빅뱅 직후 생긴 원시블랙홀이라는 이론이 나왔다. 미니블랙홀 상상도출처: BBC

암흑물질의 정체는 바로 빅뱅 직후 생긴 조그만 ‘원시블랙홀(primordial black hole)’이라는 흥미로운 주장이 나왔다. 암흑물질이 보이지 않고 중력작용을 하듯 블랙홀도 마찬가지라며, 원시블랙홀은 현대물리학의 표준모형 안에서 난제인 암흑물질을 잘 설명할 수 있다는 것이다.

스페인 바로셀로나과학기술원의 에스피노사(J. R. Espinosa)와 스위스 제네바대학 천체물리학센터의 안토니오 리오토(Antonio Riotto)가 이 같은 주장을 담은 새로운 이론을 세계적인 물리학 저널인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 게재했다.

원시블랙홀(primordial black hole)은 별과 은하가 탄생한 뒤 늙은 별의 중력 붕괴에 의해 형성된 것이 아니라 빅뱅 직후 우주가 팽창하는 초기에 만들어진 블랙홀을 말하는 데, 현재로선 가설적인 존재이다.

연구팀의 새 이론에 따르면 빅뱅 이후 생긴 미니 원시블랙홀은 ‘신의 입자’라 불리는 힉스보존(Higgs boson)에 의해 탄생한다. 조금 자세하게 설명하면, 미니 원시블랙홀은 힉스보존을 생기게 하는 힉스장(Higgs field)의 불안정으로부터 생겨난다.

힉스보존은 힉스장을 형성하지만 반대로 힉스장의 주름들이 힉스보존을 만든다. 힉스보존은 다른 입자들에게 질량을 부여하는 입자이다.

잘 알다시피, 힉스보존은 2012년 유럽입물리연구소(CERN)의 대형강입자가속기(LHC) 실험에서 발견되었다. 당시 힉스보존의 질량은 양성자의 126배였다. 물리학자들은 힉스보존이 예측보다 훨씬 더 가볍다는 데 당황했다.

많은 검토와 계산 끝에 물리학자들은 이 같은 힉스보존의 질량이 의미하는 바가 바로 ‘힉스장이 불안정한 에너지 상태에 있다’는 사실임을 깨달았다.

더욱이 이처럼 불안정한 힉스장은 빅뱅 직후 인플레이션(급팽창) 시기에 양자요동(quantum fluctuation)을 겪었다. 이에 따라 힉스장의 부분과 곳에 따라 물질의 밀도가 달라졌다.

새 이론에 따르면, 이 양자 요동은 작은 공간 주머니들(pockets of space)을 만들었는데, 이 공간 주머니는 물질의 밀도가 매우 높아 블랙홀이 되었다.

이들 미니 원시블랙홀은 질량이 10조kg(10¹³kg) 정도이다. 이는 에베레스트 산의 질량과 비슷하다. 블랙홀 치고는 아주 작은 꼬마인 셈이다.

이 같은 미니 원시블랙홀은 암흑물질과 관련한 다양한 물리적인 매력을 갖는다. 첫째, 암흑물질은 빛을 방출하지도, 빛에 의해 탐지되지도 않는다. 블랙홀도 마찬가지다. 둘째, 만약 존재하기만 한다면, 원시 블랙홀은 힉스 필드가 최저에너지 상태가 아니라 준안정 상태에 있다는 물리적 증거가 된다. 셋째, 새 이론은 표준모형 안에서 암흑물질을 설명할 수 있다.

그러나 이들 원시블랙홀이 존재한다고 하더라도 우리는 어떻게 그들을 발견할 수 있을까? 또 빅뱅 직후 탄생한 이들 원히 블랙홀들이 138억 년 전의 모습을 그대로 유지하고 있을까?

우선, 시간이 지남에 따라 블랙홀은 물질을 끌어 모아 점점 더 커졌을 가능성이 있다. 그러나 이와 정반대의 상황이 일어났을 수 있다. 즉, 호킹복사(Hawking radiation)에 의해 블랙홀이질량을 점점 잃고 마침내 모두 증발했을지도 모른다. 따라서 만약 오늘날 원시 블랙홀이 남아 있다면, 그것은 미니 블랙홀에서 커졌거나 아니면 미니 블랙홀보다 매우 더 작아졌을 것이라고 추론할 수 있다.

하지만 원시블랙홀이 암흑물질이라는 생각은 논란거리임에 틀림없다. 원시블랙홀의 존재 자체가 현재로선 가설이며, 새 이론의 힉스 장에 의한 원시 블랙홀 생성메커니즘도 실제 원시블랙홀이 발견되기 전까지는 가설에 불과하기 때문이다.

희망이 없는 것은 아니다. 지난 2015~2017년 레이저간섭계중력파관측소(LIGO)에서 세 차례 중력파를 검출했는데, 바로 두 블랙홀이 충돌할 때 발생한 것이었다. 우리가 조만간 원시블랙홀을 발견하지 말라는 법도 없다.

미국 존스홉킨스대학의 이론물리학자인 마크 카미온코프스키(Marc Kamionkowski)는 “우주 초기의 원시블랙홀 생성 메커니즘을 제공하는 새 논문은 매우 흥미롭다”면서 “암흑물질에 관한 재치 있는 아이디어”라고 촌평했다.

#기사 출처 : LiveScience,  Is Dark Matter Made Up of Mini Black Holes from the Big Bang?  Physical Review Letters, Cosmological Signature of the Standard Model Higgs Vacuum Instability: Primordial Black Holes as Dark Matter



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