우주에서 가장 신비한 물질, 암흑물질 연구

아마도 현재 천문학에서 가장 큰 질문은 간단하게 들리는 질문일 것입니다. 우주는 무엇으로 구성되어 있습니까? 우리는 양성자, 중성자, 전자에 대해 알고 있으며 이러한 입자들이 결합하여 우리가 관찰하는 우주, 즉 별, 행성, 혜성, 블랙홀을 생성한다는 것을 알고 있습니다.

그러나 이 모든 것은 존재하는 것의 아주 작은 부분에 불과합니다. 천문학자들이 중입자 물질이라고 부르는 일반 물질은 우리 우주 전체를 볼 때 소수에 속합니다. 사실 우주는 암흑물질과 암흑에너지가 지배하고 있는데, 이 두 가지 신비한 물질은 우리가 직접적으로 발견한 적이 없습니다.

이 가장 이상한 퍼즐을 조사하기 위해 유럽 우주국(ESA)은 유클리드 공간을 구축하고 있습니다. 암흑물질과 암흑에너지를 동시에 조사하는 최첨단 프로젝트인 망원경이 발사될 예정이다. 2022년에.

보이지 않는 것을 검색하는 도구를 구축하는 방법에 대해 자세히 알아보기 위해 Euclid의 프로젝트 과학자인 René Laureijs와 이야기를 나눴습니다.

효과만 보면

암흑물질과 암흑에너지는 둘 다 이론적인 구성물입니다. 비록 둘 다 직접적으로 발견된 적은 없지만 우리는 그것들이 존재한다고 믿을 충분한 이유가 있습니다. 대신, 우리는 그들이 우주에 미치는 영향을 보기 때문에 그들이 거기에 있어야 한다는 것을 알고 있습니다.

“암흑물질은 그 효과만 볼 수 있는 것입니다.”라고 Laureijs는 설명했습니다. “무언가가 움직이거나 서로 끌어당기는 것을 보지만 그 원인이 무엇인지 알 수 없습니다. 우리는 천문학에서도 사물이 끌어당겨지거나 사물이 움직이는 것을 볼 수 있으며, 주변의 움직임을 살펴보면 이러한 움직임을 일반 물질의 존재만으로는 설명할 수 없습니다.”

이 매력은 은하 크기의 물체를 볼 때 매우 큰 규모에서만 실제로 눈에 띕니다. 처음에 천문학자들은 중력에 대한 설명에 뭔가 문제가 있을 수 있다고 생각했고, 그것이 천문학적 규모에서 다르게 보이는 이유였습니다. 그러나 입자 자체를 탐지하는 것이 지속적인 과제임에도 불구하고 그들은 이제 이러한 효과를 일으키는 입자라고 대체로 확신하고 있습니다. “우리는 그것을 본 적이 없지만 물질처럼 행동하지만 볼 수 없는 것에 대한 간접적인 증거를 봅니다. 그리고 그것이 우리가 암흑 물질이라고 부르는 것입니다.”라고 Laureijs는 말했습니다.

그리고 암흑 에너지가 있습니다. 우주에 대한 예상치 못한 관찰을 설명하는 데 사용되는 구조라는 점에서 암흑 물질과 유사합니다. 그러나 천문학자들은 그것이 입자가 아니라 에너지의 한 형태일 수 있다고 생각한다는 점에서 매우 다릅니다. 우주의 팽창을 설명하는 데 사용됩니다. 우리는 우주가 팽창하고 있다는 것을 알고 있지만 1990년대 허블 우주 망원경과 같은 새로운 도구를 사용한 관측은 팽창 속도가 가속화되고 있음을 보여 천문학자들에게 충격을 주었습니다.

“아주 미묘한 효과지만, 먼 은하계까지의 거리를 정확하게 측정함으로써 사람들은 20년 전에 우주가 팽창할 뿐만 아니라 가속 팽창하고 있다는 사실을 발견했습니다.” 라우레이스 설명했다. “이것은 은하계를 밀어내는 추가 에너지가 있다는 것을 의미하며, 이 가속은 우주 나이의 절반인 약 60억년 전에 시작되었다는 것이 밝혀졌습니다. 정말 수수께끼입니다. 왜 그런 일이 일어났습니까? 그래서 중력에 대항하여 작용하는 추가적인 힘이 존재하며, 모든 은하계를 가속하는 방식으로 바깥쪽으로 밀어내는 것이 바로 우리가 암흑 에너지라고 부르는 것입니다.”

암흑 물질과 암흑 에너지에 관해 정말 놀라운 점은 그것이 얼마나 널리 퍼져 있는지입니다. 우주의 전체 에너지 구성요소를 고려할 때, 현재 추정치 우주의 약 68%가 암흑에너지이고, 27%가 암흑물질이라는 것을 보여줍니다. 우리 주변에서 볼 수 있는 모든 정상 물질(모든 별, 모든 행성, 모든 가스 분자)은 존재하는 전체 물질의 5%에 불과합니다.

그래서 우리가 거의 이해하지 못하는 우주의 95%가 있습니다. Laureijs는 "이것은 현재 물리학과 천문학에서 우리가 겪고 있는 가장 큰 수수께끼입니다."라고 말했습니다. "천문학자로서 지금 이 시점에 이 문제를 연구할 수 있게 되어 정말 기쁩니다."

보이지 않는 것을 사냥하는 방법

암흑에너지를 찾는 전통적인 방법은 초신성을 관찰하여 우주의 팽창을 측정하는 것이었습니다. 만약 초신성이 먼 은하계에서 폭발한다면, 우리는 그것이 방출하는 에너지를 추적하여 그것이 얼마나 멀리 떨어져 있는지 추정할 수 있습니다. 이 접근 방식의 제한 사항. 그래서 최근 수십 년 동안 우주 팽창을 측정하는 두 가지 새로운 방법이 고안되었으며 유클리드는 두 가지 모두를 활용할 것입니다.

첫 번째 방법은 우주 전체에 걸쳐 은하의 분포를 살펴보는 것입니다. 천문학자들은 은하까지의 거리를 관찰하고 적색편이(해당 은하에서 나오는 빛의 정도)를 관찰합니다. 스펙트럼의 빨간색 끝으로 이동합니다.) 그리고 이것으로부터 은하가 얼마나 빨리 멀어지는지 알아낼 수 있습니다. 우리를.

두 번째 방법은 관찰하는 것이다. 암흑물질의 분포. 우리는 일반 물질의 분포가 암흑 물질의 분포를 따르고 있다는 것을 알고 있으며 일반 물질보다 암흑 물질이 훨씬 더 많습니다. 암흑 물질의 중력 효과는 암흑 물질의 질량이 주변의 빛을 휘게 하는 중력 렌즈라는 기술을 통해 볼 수 있습니다.

이것이 유클리드가 암흑 물질과 암흑 에너지를 모두 찾는 이유입니다. 하나에 대해 배우면 다른 하나에 대해서도 배울 수 있기 때문입니다.

놀라운 수준의 정밀도

암흑에너지와 암흑물질을 연구하는 데 필요한 종류의 데이터를 수집하기 위한 도구는 개념적으로 비교적 간단합니다. Euclid에는 적외선 카메라/분광계와 거대 광학 카메라라는 두 가지 주요 장비가 있습니다.

적외선 장비에는 먼 은하의 적색편이를 측정할 수 있는 다양한 필터와 격자 프리즘이 있어 은하가 우리로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지 보여줍니다. 광학 카메라는 6억 픽셀 이상의 총 해상도를 제공하는 36개 센서의 모자이크로, 훨씬 더 정밀한 디지털 카메라 버전처럼 매우 선명한 이미지를 생성합니다. 그리고 1.2미터 거울이 달린 망원경 자체도 있습니다.

하드웨어를 구축할 때의 과제는 엄청나게 높은 수준의 정밀도가 필요하다는 것입니다. 과학자들이 찾고 있는 암흑물질과 암흑에너지의 왜곡은 너무나 작습니다. 계측기는 믿을 수 없을 정도로 민감해야 하며 판독값의 아주 작은 변동도 포착할 수 있어야 합니다. 그러나 이는 망원경 자체의 환경이 변경되면 데이터가 크게 왜곡될 수 있음을 의미합니다. 위성 내부의 전자 장치를 켜는 것만큼 작은 것조차도 판독값에서 눈에 띌 것입니다.

Laureijs는 "망원경은 매우 안정적이고 매우 선명한 이미지를 제공하도록 제작되었습니다."라고 말했습니다. “그리고 시야가 매우 넓습니다. 안정적이고 선명하며 넓은 시야 등 모든 것을 하나로 합치면 불가능한 디자인이 탄생합니다! 그래서 많이 힘들다.”

팀이 이 설계 문제에 접근하는 한 가지 방법은 망원경을 우주에 배치하는 것입니다. 안정적인 환경에서 캡처할 수 있는 가장 선명한 이미지보다 4~5배 더 선명한 이미지를 캡처할 수 있습니다. 지구. 그러나 태양을 기준으로 위성을 조정하면 위성이 받는 열의 양이 달라지기 때문에 여전히 햇빛 문제가 있습니다. 몇 밀리와트의 에너지 변화만으로도 기기가 감지할 수 있습니다.

망원경 설계자가 다투어야 할 가장 큰 문제는 확장입니다. 물질이 뜨거워지면 팽창하며 온도가 조금만 변동해도 망원경의 일부가 부풀어 오르고 데이터가 왜곡될 수 있습니다.

그 결과, 대부분의 Euclid 부품은 탄화규소라는 뛰어난 소재로 제작되었습니다. 이 세라믹은 팽창계수가 매우 낮습니다. 즉, 뜨거워져도 거의 팽창하지 않습니다. 그리고 악기 전반에 걸쳐 사용되기 때문에 확장되면 균일하게 확장됩니다. 망원경의 주 거울과 마찬가지로 센서 프레임도 탄화규소로 만들어졌습니다. 거울은 수 나노미터의 공차까지 고도로 연마되었으며, 이 과정에는 거의 1년이 걸렸습니다.

이러한 모든 관리는 위성이 매우 안정적이며 선명하고 정확한 이미지를 캡처할 수 있음을 의미합니다.

인류에게 무언가를 제공하다

암흑 물질과 암흑 에너지에 대한 연구는 이론 물리학에서 대부분 중요하지만, 사냥은 실용적인 의미도 가질 수 있습니다. 첫째, Euclid와 같은 프로젝트를 위해 설계된 하드웨어와 개발된 측정 기술은 다양한 분야에서 사용될 수 있습니다. 둘째, Euclid가 수집할 풍부한 데이터가 있습니다.

Laureijs는 “우리 데이터를 사용하여 암흑 에너지와 암흑 물질을 측정할 뿐만 아니라 하늘에서 보이는 모든 것을 해당 파장으로 사진을 찍습니다.”라고 말했습니다. “그래서 거기에는 훨씬 더 많은 천문학이 있습니다. 그리고 그것은 또한 흥미로운 부분입니다. 왜냐하면 우리는 인류와 천문학자들에게 매우 새로운 것을 제공하기 때문입니다. 지금으로부터 8년 후에는 ESA 웹사이트를 방문하여 하늘의 어느 위치로든 이동하여 천만년 전의 깊이까지 엄청난 해상도로 어떻게 보이는지 확인할 수 있습니다.”

하지만 기본적으로 암흑 물질과 암흑 에너지를 찾는 것은 우리 우주가 가장 근본적인 기반에서 어떻게 작동하는지 이해하는 것입니다. 수준, 그리고 지금은 완전히 당혹스러운 질문에 대답합니다. “우리 주변에서 보는 것은 우주에 있는 것의 5%에 불과합니다. 나머지 95%는 암흑물질과 암흑에너지인데, 이는 우리가 거의 설명할 수 없는 부분입니다.”라고 Laureijs는 말했습니다. “이것이 제가 보기에 유클리드를 하는 근본적인 이유입니다.”

암흑 물질을 연구하는 과학자, 엔지니어, 천문학자들을 움직이는 것은 우주가 무엇으로 구성되어 있는지에 대한 이상하고 설명할 수 없는 질문입니다. 우리 주변에서 보는 것은 미지의 세계에 존재하는 것의 표면에 불과하기 때문입니다.