우주 공간의 대부분을 차지하지만 빛을 내지 않아 우리 눈에 보이지 않는 암흑 물질의 존재를 은하의 회전 속도와 중력 렌즈 효과를 바탕으로 설명해 주세요.

Question

우주 공간의 대부분을 차지하지만 빛을 내지 않아 우리 눈에 보이지 않는 암흑 물질의 존재를 은하의 회전 속도와 중력 렌즈 효과를 바탕으로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

암흑 물질은 망원경으로 직접 관측할 수는 없지만, 거대한 질량이 주변 물질과 빛에 미치는 중력적 영향을 통해 그 존재를 확인할 수 있습니다. 이와 관련하여 설명해 드릴게요.

뉴턴의 중력 법칙에 따르면 은하 중심부에 질량이 집중되어 있으므로, 중심에서 멀어질수록 중력이 약해져 외곽에 있는 별들의 회전 속도는 점차 느려져야 하는데 은하 외곽 별들의 속도를 측정한 결과, 외곽 별들의 회전 속도가 중심부와 거의 차이 없이 빠르게 유지되었다는 사실을 통해 외곽의 별들은 원심력을 견디지 못하고 은하 밖으로 튕겨 나가 해체되어야 합니다. 눈에 보이는 별과 가스 외에도 은하 전체를 둘러싸고 별들을 잡아두는 거대한 양의 암흑 물질이 존재해야만 이것들이 설명이 됩니다.

일반 상대성 이론에 따르면 질량이 큰 천체 주변은 시공간이 휘어지며, 그 뒤를 지나는 빛 역시 휘어진 시공간을 따라 돋보기 렌즈를 통과하듯 경로가 꺾이게 됩니다. 빛이 꺾인 정도를 바탕으로 역산한 은하단의 전체 질량은, 우리가 실제로 관측할 수 있는 별과 성간 가스의 질량을 모두 합친 것보다 훨씬 크며 빛을 내지 않는 암흑 물질이 은하단 내부에 뭉쳐 있어 강력한 중력 렌즈 역할을 하고 있음을 보여주는 직접적인 증거입니다.