우주 진화 130억년 비밀 풀 '암흑물질'…내년부터 본격연구

한국천문연구원 선행연구 성과…케이-코스모스 토대 마련

우주는 대부분 암흑물질과 암흑에너지로 채워져 있다. 우주 물질의 85%를 차지한다. 전세계 천문학계가 암흑물질 연구에 매달리고는 있지만, 여전히 풀지 못한 난제다.

국내 연구진이 암흑물질을 이해할 '한강의 모래알같은' 단서 한조각을 찾았다.

한국천문연구원은 유재원 은하진화연구센터 선임연구원 연구팀이 은하단의 은하 사이를 떠도는 아주 희미한 별빛이 암흑물질의 분포를 따라간다는 사실을 컴퓨터 시뮬레이션 결과 분석을 통해 확인했다고 15일 밝혔다.

수천 개 은하가 모인 은하단 상상도. 은하 1개에 2000억~3000억 개의 별이 존재한다.(그림=한국천문연구원)

연구는 영국과 유럽 천체물리학자들이 'C-이글 프로젝트'로 공개된 시뮬레이션 데이터를 활용해 진행했다. C-이글 프로젝트는 거대한 은하단이 우주 역사 속에서 어떻게 형성되고, 우주를 구성하는 은하·가스·암흑물질이 어떻게 진화하는지를 컴퓨터로 재현하는 대규모 우주론적 수치 시뮬레이션 프로젝트다. 이들은 수집된 데이터를 모두 공개 중이다.

연구팀은 이 컴퓨터 시뮬레이션 데이터를 이용, 일종의 ‘쌍둥이 우주’ 실험을 수행했다. 동일한 초기 조건에서 출발하되 한쪽에는 암흑물질 입자가 서로 충돌하지 않는 표준 CDM(차가운 암흑물질) 모형을, 다른 한쪽에는 입자끼리 상호작용하는 SIDM(자기 상호작용 암흑물질) 모형을 적용했다.

이후 두 가상 우주에서 은하단 두 개가 약 130억 년 동안 형성되고 진화하는 과정을 추적하고, 암흑물질·가스·모든 별·은하·중심은하와 은하단내광((ICL)까지 총 5개의 분포 지도를 시대별로 그리고, 각각의 분포가 암흑물질과 ‘얼마나 유사한지’를 독자 개발한 통계적 방법으로 분석했다.

연구결과, 은하단 안을 떠돌며 만드는 매우 희미한 빛인 은하단내광이 가스, 별, 은하보다도 암흑물질의 분포를 더 충실하게 따라간다는 사실을 확인했다. 특히 은하단내광과 암흑물질 분포가‘닮은 정도’는 암흑물질의 성질에 따라 달라진다는 것으로 나타났다.

연구 논문 제1저자인 유재원 선임연구원은 "실제 우주에서 관측한 은하단내광의 분포와 암흑물질의 분포가 얼마나 일치하는지를 측정하면 암흑물질의 성질을 구별할 수 있는 단서를 얻을 수 있다는 의미"라며 "나아가 초극미광 관측이 서로 다른 암흑물질 모형을 실제 우주에서 검증하는 새로운 관측 수단이 될 수 있을 것"으로 기대했다.

시뮬레이션 속 은하단(CDM, 현재 시점 기준)의 다섯 가지 지도. 색이 진할수록 물질이 빽빽한 곳이다. 맨 우측 ‘중심은하+은하단내광’ 지도가 맨 왼쪽 암흑물질 지도와 가장 닮았다.

유재원 선임연구원은 “표면밝기 30등급 안팎의 은하단내광을 관측한다면 암흑물질 모형을 실제 우주에서 가려낼 수 있을 것”이라며 “기존의 입자 검출이나 중력렌즈 분석을 대체한다기보다 서로 다른 방법을 독립적으로 교차검증하는 새로운 관측 축을 제공한다”고 말했다.

유 선임연구원은 특히, "이번 연구는 내년 케이-드리프트 망원경을 이용해 암흑물질을 본격 탐구할 K-코스모스(K-COSMOS) 과제의 선행연구 쯤으로 보면 될 것"이라고 강조했다.

천문연은 올해 1월, 밤하늘보다 수천 배 어두운 초극미광 천체를 관측할 케이-드리프트(K-DRIFT) 1세대를 개발하고, 첫 영상 관측에 성공한 바 있다. 구경 0.5m 소형 광학망원경으로, 구경 8.4m 루빈 천문대 망원경보다 시야각이 2배 이상 넓고, 탐사효율은 20배 이상 좋다.

케이-드리프트는 2대가 만들어졌으며 프로토타입은 보현산 천문대에, 다른 한 대는 칠레 엘 사우스(El Sauce) 천문대에 설치돼 있다.

케이-드리프트 연구책임자인 고종완 은하진화연구센터 책임연구원은 "조만간 케이-드리프트가 본격적인 관측에 들어갈 것"이라며 "2027년 초극미광 관측과 대규모 시뮬레이션 및 이론 연구를 하나로 연계한 케이-코스모스 과제에 착수하게 될 것"이라고 말했다.