“기존의 암흑 물질 이론에 누락 된 부분이있다”- Sciencetimes

미 항공 우주국 (NASA)과 유럽 우주국 (ESA)이 운영하는 허블 우주 망원경과 유럽 남부 관측소의 초 거대 망원경 (VLT)으로 관찰 한 결과, 현재 암흑 물질 행동 이론에 누락 된 부분이 있을 수 있다는 사실이 발견되었다.

유럽과 미국의 천문학 자들은 암흑 물질 (dark matter)이 은하단 (galaxy clusters)에 어떻게 분포되어야 여부의 이론 모델과 은하단의 암흑 물질의 실제 관측 사이에 불일치 (discrepancy )이 존재하는 것을 최근 확인했다.

연구팀은 허블 우주 망원경과 VLT 여러 은하단의 전례없는 상세한 관측을 실시해, 은하단의 작은 농도의 암흑 물질이 예상보다 10 배 강한 중력 렌즈 효과를 생성하는 것을 발견하고, 이 결과를 과학 저널 ‘사이언스 (Science)’11 일에게보고했다. <関連動画>

암흑 물질은 빛을 방출하거나 흡수하거나 반사하지 않는다. 우주의 눈에 보이는 물질에 미치는 암흑 물질의 중력을 통해서만 그 존재를 알 수있다.

따라서 암흑 물질은 ‘이상한 나라의 앨리스’에 나오는 체셔 고양이처럼 존재가 애매하다. 동물 자체를 볼 수없이 미소에서만 존재를 알 수 있도록 암흑 물질도 중력 형태만을 검출 할 수있다.

천문학 자들이 암흑 물질을 검출 할 수있는 하나의 방법은 중력이 공간을 어떻게 왜곡시키는지를 측정하는 것으로, 이것을 중력 렌즈 (gravitational lensing)라고 부른다.

허블 우주 망원경으로 포착 한 거대 은하단 MACS J1206의 모습. 은하단에서 원호 염색 형상으로 보이는 먼 배경 은하의 왜곡 된 이미지가 포함되어있다. 이러한 왜곡은 은하단에 존재하는 암흑 물질의 중력에 의해 먼 은하에서 빛이 휘어 확대 됨으로써 일어난다. © NASA, ESA, P-Natarajan (Yale University), G. Caminha (University of Groningen), M. Meneghetti (INAF-Observatory of Astrophysics and Space Science of Bologna), the CLASH-VLT / Zooming teams. acknowledgment : NASA, ESA, M. Postman (STScI), the CLASH team

우주 시뮬레이션과 관측 데이터의 불일치

우주에서 가장 거대한 구조물이다 은하단은 개별 은하로 구성되어 있으며 최대의 암흑 물질 저장소로 알려져있다. 은하단은 대체로 암흑 물질의 중력에 의해 결합되어 개별 은하도 암흑 물질로 채워진다. 따라서 은하단의 암흑 물질은 대규모 또는 소규모로 분포하고있다.

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논문 제 1 저자 인 이탈리아 국립 천체 물리학 연구소 (INAF) 우주 물리학, 우주 과학 관측소의 마시모 메네 게티 (Massimo Meneghetti) 볼로냐 대 교수는 “은하단은 빛을 내지 않는 암흑 물질과 발광 물질 사이의 상호 작용에 우리의 추론을 우주 컴퓨터 시뮬레이션이 신뢰할 수 있도록 재현 여부를 확인 할 수 이상적인 실험실 “고 비유했다.

메네겟티 교수는 “이번 연구는 시뮬레이션과 데이터를 비교하기 위해 신중하게 많은 테스트를 수행하여 이러한 불일치가 지속됨을 확인했다”며 “이 같은 불일치가 발생한 원인의 하나 하나는 시뮬레이션에 적용하는 것이 중요 물리학의 이론이 부족했다 가능성이있다 “고 말했다.

연구팀의 수석 이론적 후리야무 바다 나타 라얀 (Priyamvada Natarajan) 미국 예일대 교수는 “우리의 현재의 이론 모델에서 간단하게 포착하지 실제 우주의 특성이 존재한다”고 지적하고, “이 점이 현재 암흑 물질의 성질과 특성에 대한 우리의 이해에 여유가 있음을 나타 이번에 관측 된 정교한 데이터를 사용하여 암흑 물질의 상세한 분포를 가장 소규모 조사 수 있었다 “고 설명했다.

암흑 물질의 중력이 먼 배경 물체에서 오는 빛을 왜곡 시키거나 확대되고 왜곡 된 이미지를 나타낸다. 천문학 자들은이 왜곡 이미지를 통해 먼 별과 은하를 연구하고있다. © NASA ‘s Goddard Space Flight Center

큰 렌즈 왜곡 작은 규모의 왜곡 이미지

은하단에서 암흑 물질의 분포는 빛이 구부러 지거나 또는 중력 렌즈 효과에 의해지도 화 할 수있다. 은하단에서 암흑 물질의 농도가 높을수록 빛은 더 왜곡된다.

VLT 스펙트럼과 결합 된 허블 우주 망원경의 선명한 이미지는 정확하고 충실한 암흑 물질의지도를 작성하는 데 도움이되었습니다. 이로 인해 수십 개의 여러 이미지와 렌즈 된 배경 은하를 식별 할 수 있었다. 연구팀은 중력 렌즈의 왜곡을 측정하고 암흑 물질의 양과 분포를 추적했다.

이번 연구에서 사용 된 3 개의 주요 은하단 (MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403, and Abell S1063)의 분석은 허블 우주 망원경의 연구 프로젝트 인 국경 필즈 (Frontier Fields) 와 은하단 렌징과 초신성 조사의 일부로 수행되었다.

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이번 연구에서는 놀랍게도 허블의 이미지가 가장 거대한 은하가 존재하는 각 은하단의 중심의 대규모 렌즈 왜곡에 작은 규모의 호 (arc)와 왜곡 이미지를 보여 주었다.

연구팀은이 같은 내장형 (embedded) 렌즈가 개별 은하단의 은하와 관련 밀도가 높은 암흑 물질의 중력에 의해 생성된다고 믿고있다. 개별 은하의 내부 영역에서 암흑 물질의 분포는 은하단의 전반적인 렌즈 효과를 향상시키는 것으로 알려져있다.

오른쪽 상단의 원거리 은하단이 왼쪽 허블 우주 망원경으로 볼 때 암흑 물질의 중력 렌즈 효과로 ​​사진에서처럼 확대되고 왜곡되어 보인다. © NASA ‘s Goddard Space Flight Center

“암흑 물질 모델”스트레스 – 테스트 “계속해야”

연구팀은 은하단의 여러 은하의 내부를 도는 별의 속도를 측정하여 후속 분광 관측을 추가했습니다. 연구팀의 일원 인 이탈리아 페라라 대 피에로 로사 티 (Piero Rosati) 교수는 “분광 연구를 바탕으로 은하를 각 은하단과 연결하여 거리를 추정 할 수 있었다”고 말했다.

볼로냐 INAF- 우주 물리학, 우주 과학 관측소 베드로 베르가 미니 (Pietro Bergamini) 연구원은 “별의 속도로 암흑 물질의 양을 포함하여 개별 은하의 질량을 추정했다”고 덧붙였다.

연구팀은 암흑 물질의지도를 관측 된 은하를 거의 같은 거리에있는 비슷한 질량을 가진 시뮬레이션 은하단 샘플과 비교했다.

비교 결과, 컴퓨터 시뮬레이션 은하단은 우주에서 볼 수있는 은하단의 개별 은하와 관련된 가장 작은 일에서 동일한 수준의 암흑 물질의 농도를 보이지 않았다.

연구팀은이 같은 흥미로운 특성을 정확하게 밝히기 위해 표준 암흑 물질 모델의 ‘스트레스 테스트’를 진행되기를 기대하고있다.

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