우주의 미스터리, 암흑물질의 해답이 초신성에 있다?

90년 동안 천문학자들을 괴롭혀온 우주의 85%를 차지하는 미지의 물질, 암흑물질. 그 정체를 밝힐 열쇠가 초신성에 있을지 모른다.

현재 가장 유력한 암흑물질 후보는 액시온(axion)이다. 경량 입자인 액시온은 전 세계 연구자들이 열심히 찾고 있는 입자다.

캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 천체물리학자들은 근처의 초신성 폭발에서 감마선이 검출된 후 몇 초 이내에 액시온이 발견될 수 있다고 주장한다. 액시온은 존재한다면, 거대한 별이 중성자별로 붕괴한 직후 10초 동안 다량으로 생성될 것이다. 이러한 액시온은 탈출하여 별의 강력한 자기장에서 고에너지 감마선으로 변환될 것이다.

 

 

이러한 검출은 현재로서는 궤도상의 유일한 감마선 망원경인 페르미 감마선 우주 망원경이 초신성이 폭발할 때 그 방향을 가리키고 있을 때만 가능하다. 망원경의 시야를 고려하면, 그 확률은 약 10분의 1이다.

그러나 감마선의 단일 검출은 액시온의 질량, 특히 이론적으로 예측된 질량 범위 중 상당 부분을 정확히 지적할 것이다. 이는 현재 지구상의 실험에서 탐색 중인 질량 범위도 포함한다. 그러나 감마선이 검출되지 않는다면, 액시온의 많은 잠재적 질량 범위가 제외되고, 대부분의 현재 암흑물질 탐색이 무의미해질 것이다.

문제는 감마선이 충분히 밝아서 검출되기 위해서는 초신성이 근처에 있어야 한다는 것이다. 우리 은하나 위성은하 내에서 발생해야 한다. 그러나 근처 별은 평균적으로 몇십 년에 한 번씩만 폭발한다. 가장 최근의 근처 초신성은 1987년 대마젤란 은하에서 발생했다.

당시에는 이미 폐기된 감마선 망원경인 태양 최대 임무(Solar Maximum Mission)가 초신성 방향을 가리키고 있었지만, UC 버클리 팀의 분석에 따르면 예측된 감마선 강도를 검출할 만큼 민감하지 않았다.

UC 버클리 물리학과 부교수이자 논문의 주저자인 Benjamin Safdi는 "만약 우리가 1987A와 같은 초신성을 현대적인 감마선 망원경으로 관측할 수 있다면, 우리는 이 QCD 액시온, 가장 흥미로운 액시온을 그 매개변수 공간의 대부분에서 검출하거나 배제할 수 있을 것이다.

이는 실험실에서 탐색할 수 없는 매개변수 공간 전체와 실험실에서 탐색할 수 있는 매개변수 공간의 대부분을 포함한다"고 말했다. "그리고 이 모든 것이 10초 이내에 일어날 것이다."

 

그러나 연구자들은 오랫동안 기다려온 초신성이 근처 우주에서 폭발할 때 우리가 액시온이 생성한 감마선을 볼 준비가 되어 있지 않을까 걱정하고 있다. 과학자들은 이제 감마선 망원경을 건설하는 동료들과 이야기하여 하늘의 100%를 24시간 연중무휴로 커버하고 모든 감마선 폭발을 잡을 수 있는 하나 또는 여러 개의 감마선 망원경을 발사하는 가능성을 평가하고 있다. 그들은 심지어 이러한 전천 감마선 위성 군집에 GALactic AXion Instrument for Supernova, 즉 GALAXIS라는 이름을 제안했다.

Safdi는 "우리 모두는 다음 초신성이 올 때까지 적절한 장비를 갖추지 못할까 봐 걱정된다. 만약 내일 초신성이 폭발하고 우리가 액시온을 검출할 기회를 놓친다면 정말 유감스러울 것이다. 그것은 50년 동안 다시 오지 않을 수도 있다"고 말했다.

Safdi의 공동 저자는 대학원생 Yujin Park과 박사후 연구원 Claudio Andrea Manzari, Inbar Savoray이다. 이들은 모두 UC 버클리 물리학과와 로렌스 버클리 국립 연구소의 이론 물리학 그룹의 일원이다.

 

 

암흑물질의 유력한 후보, 액시온

암흑물질의 탐색은 원래 우리 은하와 우주 전체에 흩어져 있는 희미하고 거대한 밀집된 헤일로 물체(MACHO)에 초점을 맞추었지만, 이러한 물체들이 발견되지 않자 물리학자들은 이론적으로 우리 주변에 존재하고 지구상의 실험실에서 검출될 수 있는 기본 입자를 찾기 시작했다. 이러한 약하게 상호작용하는 거대한 입자(WIMP)도 나타나지 않았다.

현재 암흑물질의 가장 유력한 후보는 액시온이다. 액시온은 표준 물리 모델에 잘 들어맞으며 입자 물리학의 다른 몇 가지 미해결 퍼즐을 해결한다.

 

액시온은 또한 우주의 근본적인 기하학에 대한 가설인 현(弦) 이론에서도 자연스럽게 나타나며, 우주적 규모의 상호작용을 설명하는 중력과 미소 세계를 설명하는 양자역학 이론을 통합할 수 있을지도 모른다.

Safdi는 "액시온과 같은 입자가 없는 중력과 양자역학의 일관된 이론을 갖는 것은 거의 불가능해 보인다"고 말했다.

QCD 액시온이라고 불리는 가장 강력한 액시온 후보는 이론적으로 중력, 전자기력, 원자를 결합시키는 강한 핵력, 원자의 분해를 설명하는 약한 핵력의 네 가지 자연의 힘을 통해 약하게 모든 물질과 상호작용한다. 그 결과 강한 자기장에서 액시온은 때때로 전자기파 또는 광자로 변환될 수 있다. 액시온은 중력과 약한 힘을 통해서만 상호작용하고 전자기력을 완전히 무시하는 또 다른 경량의 약하게 상호작용하는 입자인 중성미자와는 확연히 다르다.

ALPHA 컨소시엄(Axion Longitudinal Plasma HAloscope), DMradio, ABRACADABRA 등 UC 버클리 연구원들이 참여하는 실험실 벤치 실험은 튜닝 포크처럼 작동하여 저질량 액시온이 강한 자기장에서 변환될 때 생성되는 희미한 전자기장 또는 광자를 공명시키고 증폭하는 컴팩트한 공동을 사용한다.

또한 천체물리학자들은 1987A와 같은 핵붕괴 초신성 직후 중성자별 내부에서 생성된 액시온을 찾는 것을 제안했다. 그러나 지금까지 그들은 주로 은하의 자기장에서 이러한 액시온이 광자로 느리게 변환되는 과정에서 생성되는 감마선을 검출하는 데 초점을 맞춰왔다.

 

Safdi와 그의 동료들은 이 과정이 감마선을 생성하는 데 매우 효율적이지 않거나, 적어도 지구에서 검출할 수 있을 만큼 충분하지 않다는 것을 깨달았다.

대신 그들은 액시온을 생성한 별 주변의 강한 자기장에서 액시온이 생성하는 감마선을 탐구했다. 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션은 이 과정이 액시온의 질량에 의존하는 감마선 폭발을 매우 효율적으로 생성하며, 이 폭발은 뜨거운 중성자별 내부에서 발생하는 중성미자 폭발과 동시에 발생해야 한다는 것을 보여주었다. 그러나 이러한 액시온 폭발은 중성자별이 형성된 후 불과 10초 동안 지속된다. 그 이후에는 생성률이 급격히 떨어지지만, 별의 외층이 폭발하기 몇 시간 전이다.

 

 

 

중성자별: 액시온 연구의 새로운 실험실

"이 연구는 중성자별을 액시온 연구를 위한 최적의 표적으로 생각하게 했습니다. 중성자별은 매우 뜨거운 물체이며, 매우 강한 자기장을 가지고 있습니다. 우주에서 가장 강한 자기장은 마그네타와 같은 중성자별 주변에서 발견되며, 이러한 자기장은 실험실에서 만들 수 있는 것보다 수십억 배 더 강합니다. 이는 액시온을 관측 가능한 신호로 변환하는 데 도움이 됩니다."

2년 전, Safdi와 그의 동료들은 중성자별의 냉각 속도를 기반으로 QCD 액시온의 질량에 대한 최고의 상한선을 약 1600만 전자볼트, 즉 전자 질량의 약 32배 미만으로 설정했다. 중성자별은 이러한 뜨겁고 밀집된 천체 내부에서 액시온이 중성미자와 함께 생성되면 더 빨리 식을 것이다.

현재 논문에서 UC 버클리 팀은 중성자별로의 핵붕괴 후 감마선 생성을 설명할 뿐만 아니라, 1987A 초신성에서 감마선이 검출되지 않은 것을 이용하여 QCD 액시온과 달리 강한 핵력을 통해 상호작용하지 않는 액시온 유사 입자의 질량에 대한 최고의 제약 조건을 설정했다.

 

그들은 감마선 검출이 액시온의 질량이 50 마이크로전자볼트(μeV) 이상일 경우, 즉 전자 질량의 약 100억 분의 1일 경우 QCD 액시온의 질량을 식별할 수 있을 것으로 예측한다. 단일 검출로 기존 실험의 초점을 액시온의 질량을 확인하는 데 맞출 수 있다고 Safdi는 말했다. 근처 초신성에서 감마선을 검출하는 가장 좋은 방법은 전용 감마선 망원경 함대이지만, 페르미의 행운도 더 좋을 것이다.

"액시온에 대한 최선의 시나리오는 페르미가 초신성을 포착하는 것입니다. 그럴 가능성은 작지만, 페르미가 관측한다면 우리는 액시온의 질량을 측정할 수 있을 것입니다. 액시온의 상호작용 강도를 측정할 수 있을 것입니다. 우리는 액시온에 대해 알아야 할 모든 것을 결정할 수 있을 것이며, 이러한 현상을 일으킬 수 있는 일반적인 물질이 없기 때문에 신호에 대해 매우 확신할 수 있을 것입니다."