암흑물질의 후보, 액시온 입자의 존재 가능성

암스테르담, 프린스턴, 옥스포드 대학의 물리학자 팀이 중성자별 주변에 존재할 수 있는 매우 가벼운 입자인 액시온에 대한 연구 결과를 발표했다.

이 액시온은 우주론자들이 찾고 있는 elusive dark matter(은닉된 암흑물질)에 대한 설명이 될 수 있으며, 관측이 그렇게 어렵지 않을 수도 있다.

 

이번 연구 결과는 이번 주 초 Physical Review X에 발표되었다.

이 논문은 이전 연구의 후속 연구로, 저자들은 액시온과 중성자별을 완전히 다른 관점에서 연구했다.

이전 연구에서는 중성자별에서 탈출하는 액시온을 연구한 반면, 이번 연구에서는 중성자별의 중력에 포획되는 액시온에 초점을 맞췄다.

시간이 지남에 따라 이 입자들은 중성자별 주변에 점차 흐릿한 구름을 형성할 것이며, 이러한 액시온 구름은 우리의 망원경으로 관측할 수 있을 것으로 보인다.

그러나 천문학자와 물리학자들이 왜 먼 별 주변의 흐릿한 구름에 그렇게 관심을 갖는 것일까?

양성자, 중성자, 전자, 광자 등 대부분의 사람들은 이러한 미립자의 이름을 적어도 일부는 알고 있다.

액시온은 덜 알려져 있으며, 그 이유는 간단하다.

현재로서는 가설적인 입자 유형일 뿐이며 아직 아무도 감지하지 못했다.

비누 브랜드의 이름을 따서 명명된 이 입자의 존재는 1970년대에 처음으로 가정되었으며, 우리가 매우 잘 관찰할 수 있는 입자인 중성자에 대한 이해에서 문제를 해결하기 위해 제안되었다.

그러나 이론적으로 매우 훌륭하지만, 이러한 액시온이 존재한다면 매우 가벼울 것이며, 실험이나 관측에서 감지하기가 매우 어려울 것이다.

 

 

암흑물질 액시온 입자

오늘날 액시온은 현대 물리학에서 가장 큰 미스터리 중 하나인 암흑물질을 설명하는 유력한 후보로 알려져 있다.

많은 증거들이 우리 우주의 물질 함량의 약 85%가 '암흑'이라는 것을 시사한다.

이는 단순히 우리가 알고 있고 현재 관측할 수 있는 어떤 종류의 물질로 구성되어 있지 않다는 것을 의미한다.

대신, 암흑물질의 존재는 그것이 가시적인 물질에 미치는 중력적 영향을 통해 간접적으로 추론될 뿐이다.

 

다행스럽게도, 이것은 암흑물질이 가시적인 물질과 전혀 다른 상호작용을 하지 않는다는 것을 자동으로 의미하지는 않는다.

그러나 이러한 상호작용이 존재한다면 그 강도는 반드시 매우 작을 것이다.

이름에서 알 수 있듯이, 어떤 실행 가능한 암흑물질 후보라도 직접 관측하기는 매우 어렵다.

 

이를 종합해 볼 때, 물리학자들은 액시온이 암흑물질 문제를 해결하기 위해 찾고 있는 바로 그것일 수 있다는 것을 깨달았다.

아직 관측되지 않은 입자로서 매우 가볍고 다른 입자와 매우 약한 상호작용을 할 것이다.

액시온이 암흑물질에 대한 설명의 일부일 수 있을까?

암흑물질 입자로서의 액시온의 아이디어는 훌륭하지만, 물리학에서 아이디어는 관측 가능한 결과가 있을 때에만 진정으로 훌륭하다.

액시온의 가능한 존재가 처음 제안된 지 50년이 지난 후에도 액시온을 관측할 수 있는 방법이 있을까?

전기장과 자기장에 노출되면 액시온은 광자(빛의 입자)로 변환될 수 있고 그 반대의 경우도 가능하다.

 

빛은 우리가 관측할 줄 아는 것이지만, 앞서 언급했듯이 상응하는 상호작용 강도는 매우 작아야 하므로 액시온이 일반적으로 생성하는 빛의 양도 매우 적다.

즉, 정말 엄청난 양의 액시온이 포함된 환경, 이상적으로는 매우 강한 전자기장이 있는 환경을 고려하지 않는 한 말이다.

 

 

중성자별 주변의 액시온 구름

이러한 연구 결과는 연구원들을 우주에서 가장 밀도가 높은 것으로 알려진 중성자별을 고려하도록 이끌었다.

이 천체들은 우리 태양과 비슷한 질량을 가지고 있지만 12~15km 크기의 별로 압축되어 있다.

이러한 극단적인 밀도는 지구에서 찾을 수 있는 것보다 수십억 배 더 강한 엄청난 자기장을 포함하는 극단적인 환경을 만들어낸다.

 

최근 연구에 따르면, 액시온이 존재한다면 이러한 자기장은 중성자별이 표면 근처에서 이 입자들을 대량 생산할 수 있게 한다.

이전 연구에서 저자들은 생성 후 별을 탈출한 액시온에 초점을 맞췄다.

이들은 이러한 액시온이 생성되는 양, 따르는 궤적, 그리고 빛으로의 전환이 약하지만 잠재적으로 관측 가능한 신호로 이어질 수 있는 방법을 계산했다.

이번에는 탈출하지 못하는 액시온, 즉 작은 질량에도 불구하고 중성자별의 엄청난 중력에 붙잡히는 액시온을 고려한다.

액시온의 매우 약한 상호작용으로 인해 이 입자들은 주변에 머물러 있게 되며, 최대 수백만 년의 시간 규모에 걸쳐 중성자별 주변에 축적될 것이다.

이는 중성자별 주변에 매우 밀도 높은 액시온 구름을 형성할 수 있으며, 이는 액시온 연구에 대한 놀라운 새로운 기회를 제공한다.

 

논문에서 연구원들은 이러한 액시온 구름의 형성, 특성, 그리고 추가적인 진화를 연구하며, 이들이 존재해야 하며 많은 경우에 존재해야 한다고 지적한다.

실제로 저자들은 액시온이 존재한다면 액시온 구름은 일반적일 것이며(광범위한 액시온 특성에 대해 대부분, 어쩌면 모든 중성자별 주변에 형성되어야 함), 일반적으로 매우 밀도가 높을 것이며(지역 암흑물질 밀도보다 20배 이상 큰 밀도를 형성), 이로 인해 강력한 관측 신호로 이어질 것이라고 주장한다.

 

 

액시온 구름의 관측 가능성과 향후 연구 방향

후자는 여러 유형으로 나타날 수 있으며, 저자들은 중성자별의 수명 대부분 동안 방출되는 연속적인 신호와 중성자별이 전자기 복사를 생산하는 것을 중단할 때 발생하는 일회성 빛의 폭발이라는 두 가지 유형을 논의한다.

이 두 가지 신호 모두 관측되어 기존의 전파 망원경을 사용하더라도 액시온과 광자 사이의 상호작용을 현재의 한계를 넘어 탐색하는 데 사용될 수 있다.

 

지금까지 액시온 구름은 관측되지 않았지만, 새로운 연구 결과를 통해 무엇을 찾아야 하는지 매우 정확하게 알게 되었으므로 액시온에 대한 철저한 검색이 훨씬 더 실현 가능해졌다.

따라서 할 일 목록의 주요 항목은 '액시온 구름 찾기'이지만, 이 연구는 또한 탐구할 수 있는 몇 가지 새로운 이론적 경로를 열어준다.

 

한 가지로, 저자 중 한 명은 이미 액시온 구름이 중성자별 자체의 역학을 어떻게 변화시킬 수 있는지를 연구하는 후속 연구에 참여하고 있다.

또 다른 중요한 미래 연구 방향은 액시온 구름의 수치 모델링이다.

현재 논문은 큰 발견 잠재력을 보여주지만, 무엇을 찾아야 하고 어디서 찾아야 할지를 더 정확히 알기 위해서는 더 많은 수치 모델링이 필요하다.

마지막으로, 현재 결과는 모두 단일 중성자별에 대한 것이지만, 이러한 별 중 많은 수가 쌍성계의 구성 요소로 나타난다.

때로는 다른 중성자별과 함께, 때로는 블랙홀과 함께 나타난다.

이러한 시스템에서 액시온 구름의 물리학을 이해하고 잠재적으로 그들의 관측 신호를 이해하는 것은 매우 중요할 것이다.

 

따라서 현재 연구는 새롭고 흥미로운 연구 방향의 중요한 단계이다.

액시온 구름에 대한 완전한 이해는 입자(천체)물리학, 플라즈마 물리학, 관측 전파 천문학을 포함한 다양한 과학 분야의 보완적인 노력을 필요로 할 것이다.

이 연구는 미래 연구를 위한 많은 기회를 가진 이 새로운 학제 간 분야를 개척한다.