천문학에서 암흑 물질과 암흑에너지

우주의 가시 물질은 우주 전체 에너지 밀도의 약 4%에 불과합니다. 나머지 중 암흑물질이 약 23%를 차지하고 암흑에너지가 73%로 우세합니다. 이 장에서는 암흑 에너지뿐만 아니라 암흑 물질과 후보에 대한 간단한 설명을 제공합니다.

암흑 물질

암흑물질은 전자기력과 상호작용하지 않고 가시광선에 대한 중력효과를 통해 그 존재를 추론할 수 있습니다. 현재 관측된 은하보다 큰 구조와 빅뱅의 우주론에 따르면 암흑물질과 암흑에너지는 관측할 수 있는 우주 질량의 대부분을 차지하고 있습니다. 암흑물질의 존재를 암시하는 관측 현상으로는 은하의 회전 속도, 은하단 내 은하의 궤도 속도, 배경 물체의 중력 렌즈, 뜨거운 가스의 온도 분포 등이 있습니다. 암흑물질은 또한 은하의 구조 형성과 진화에 중심적인 역할을 하며 우주 마이크로파 배경의 이방성에 측정할 수 있는 영향을 미칩니다. 이 모든 증거는 은하, 은하단, 우주 전체가 전자기 방사선과 상호작용하는 물질보다 훨씬 많은 물질을 포함하고 있지만 나머지는 '암흑물질의 구성요소'라고 불립니다. 

암흑물질의 구성요소

암흑 물질의 구성요소는 우주의 '보이지 않는' 구성요소보다 훨씬 큰 질량을 가지고 있습니다. 현재 우주의 정상적인 입자 및 방사선 밀도는 우주 공간의 세 제곱미터당 수소 원자 1개에 해당하는 것으로 추정됩니다. 중력 효과에서 알 수 있듯이, 우리는 우주 전체 에너지 밀도의 약 4%만 직접 볼 수 있습니다.

약 4%만 직접 볼 수 있습니다. 약 22%는 암흑물질로 이루어져 있다고 합니다. 나머지 74%는 우주에 퍼져 있는 더 신기한 성분인 암흑  에너지로 구성되어 있다고 알려져 있습니다. 탐지하기 어려운 입자는 암흑물질에 기여하는 것으로 알려졌지만 매우 적습니다. 

은하의 속도 분산

루빈의 선구적인 연구는 시간의 시험을 견뎌냈습니다. 나선은하의 속도 곡선을 측정한 결과 타원은하의 속도 분산이 뒤를 이었습니다. 질량-빚의 비율이 때때로 낮지만 측정은 여전히 상대적으로 높은 암흑물질 함량을 나타냅니다.

마찬가지로 은하의 가장자리에서 발견되는 확산 은하 간 가스의 측정은 은하가 가시반경의 최대 10배까지 바이러스화되어 눈에 보이는 한계를 넘어 확장되는 암흑물질의 분포를 보여줍니다. 이는 루빈이 측정한 중력 물질 전체의 50%에서 암흑물질을 밀어내는 효과가 있습니다. 

 

암흑 물질이 작은 구성 요소로 보이거나 보이지 않는 곳이 있습니다. 구상성단은 암흑물질을 포함하고 있다는 증거를 제공하지 않지만, 은하와의 궤도 상호작용은 은하 암흑물질의 증거를 보여줍니다. 잠시 동안 별의 속도 프로파일을 측정한 결과, 그것은 은하 원반의 암흑 물질 농도를 나타내는 것처럼 보였습니다.

 

그러나 은하수 은하계는 이제 은하 원반의 고농도 중입자 물질이 이러한 움직임을 설명할 수 있는 것으로 보입니다. 은하 질량 프로파일은 빛의 프로파일과 매우 다르게 보이는 것으로 알려져 있습니다. 암흑 물질 은하의 일반적인 모델은 바이러스화된 후광의 부드럽고 구형 분포입니다. 소규모 동적 효과를 피하기 위해서는 그럴 수밖에 없습니다. 2006년 1월 매사추세츠 대학교에서 보고된 최근 연구에 따르면, 은하계 원반의 이전에 신비했던 뒤틀림을 크고 작은 마젤란 구름의 상호작용과 암흑 물질을 고려한 은하계 질량의 20배 증가 예측으로 설명할 것이라고 합니다.

 

2005년 카디프 대학교의 천문학자들은 5천만 광년 떨어진 처녀자리 성단에서 거의 전적으로 암흑 물질로 이루어진 은하계를 발견했으며 특이하게도 처녀자리 21은 가시적인 별을 포함하지 않는 것으로 보이며, 이는 수소의 무선 주파수 관측으로 관찰되었습니다. 

 

과학자들은 자전 프로파일을 바탕으로 이 천체가 수소보다 약 1000배 많은 암흑 물질을 포함하고 있으며 총질량은 우리 은하계 질량의 약 10분의 1에 달한다고 추정합니다. 비교를 위해 은하수는 일반 물질보다 암흑 물질이 약 10배 더 많은 것으로 알려져 있습니다. 빅뱅과 구조 형성 모델에 따르면 이러한 암흑 은하는 우주에서 매우 흔할 것이라고 제안했지만 이전에는 발견되지 않았습니다. 

암흑 에너지

암흑 에너지는 우주 전체에 스며들어 우주의 팽창 속도를 증가시키는 경향이 있는 가상의 이국적인 형태의 에너지입니다. 암흑 에너지는 우주가 가속하는 속도로 팽창하고 있다는 최근의 관찰을 설명하는 가장 일반적인 방법입니다. 우주론의 표준 모델에서 암흑 에너지는 현재 우주 전체 질량 에너지의 74%를 차지합니다. 

 

암흑 에너지에 대해 제안된 두 가지 형태는 공간을 균일하게 채우는 일정한 에너지 밀도인 우주 상수와 에너지 밀도가 시공간적으로 변할 수 있는 동적 양인 정수 또는 모듈화와 같은 스칼라 필드입니다. 우주에서 일정한 스칼라 필드의 기여도 일반적으로 우주 상수에 포함됩니다. 우주 상수는 물리적으로 진공 에너지와 동일합니다. 공간에서 변화가 일어나는 스칼라 필드는 변화가 매우 느릴 수 있기 때문에 우주 상수와 구별하기 어려울 수 있습니다. 

 

일반 상대적 이론에서 팽창 속도의 진화는 우주론적 상태 방정식에 의해 매개 변수화됩니다. 암흑 에너지의 상태 방정식을 측정하는 것은 오늘날 관측 우주론에서 큰 노력 중 하나입니다. 우주론의 표준 지표에 우주 상수를 추가하면 관측과 정확하게 일치하기 때문에 우주론의 '표준 모델'이라고 불리는 람다-CDM 모델로 이어집니다 

 

암흑 에너지의 존재는 측정된 우주의 기하학적 구조와 우주의 총량으로 조화시키기 위해 어떤 형태로든 필요합니다. 가장 최근에 WMAP 위성이 우주 마이크로파 배경(CMB) 이방성을 측정한 결과 우주가 평평한 상태에 매우 가깝다는 것을 알 수 있습니다. 우주의 모양이 평평하려면 우주의 질량/에너지 밀도가 특정 임계 밀도와 같아야 합니다. CMB가 측정한 우주의 물질 총량은 임계 밀도의 약 30%에 불과합니다. 이는 설명해야 할 추가 형태인 에너지의 존재를 의미합니다. 나머지 70%의 경우, 가장 최근의 WMAP 관측은 암흑 에너지 73%, 암흑 물질 23%, 4%로 구성된 우주와 일치합니다.