기술

우주 초기의 암흑물질 분포 처음으로 밝혀

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과학자들은 약 120억 년 동안 존재해 온 은하 주변의 암흑 물질을 감지할 수 있었습니다. 이 발견은 우주를 지배하는 신비한 물질에 대한 가장 오래된 계시입니다.

일본 나고야 대학의 연구원들과 공동으로 얻은 최근 발견에 따르면 초기 우주의 암흑 물질은 현재의 많은 우주론적 모델이 예측하는 것보다 밀도가 낮습니다. 앞으로 더 많은 연구가 이 이론을 확인시켜준다면, 은하가 어떻게 진화하는지에 대한 과학자들의 이해가 바뀌고 우주를 지배하는 기본 법칙이 17억 년이 지난 먼 시대에 존재했을 수도 있음을 더 증명할 수 있을 것입니다. 우주의 생명 이후로, 아마도 우주를 지배하는 현재의 법칙과 차이가 있었을 것입니다.

초기 우주에서 암흑 물질을 매핑하는 열쇠는 우주 마이크로파 배경(CMB)입니다. 우주 전체에 분포하는 빅뱅에서 남은 화석화된 방사선의 일종. 오우치 마사미도쿄 대학 교수는 성명서에서 다음과 같이 설명합니다.

먼 은하 주변의 암흑 물질을 봅니까? 그런 생각은 미친 짓이었다. 아무도 [پیش‌تر] 우리가 그렇게 할 수 있다는 것을 깨닫지 못했습니다. 그러나 내가 거대하고 먼 은하의 한 예에 대해 이야기한 후, 히로나오가 나에게 와서 CMB의 도움으로 이 은하 주변의 암흑 물질을 관찰하는 것이 가능할 수 있다고 제안했습니다.

빛은 먼 물체에서 지구로 이동하는 데 유한한 시간이 걸리기 때문에 천문학자들은 다른 은하를 빛이 떠났을 때의 모습으로 봅니다. 은하가 우리에게서 멀어질수록 빛이 우리를 향해 더 오래 이동하므로 관찰자로서 우리는 더 먼 시간에 은하를 봅니다. 이러한 설명을 종합하면 우리는 가장 먼 은하를 수십억 년 전의 모습으로 본다는 결론을 내릴 수 있습니다. 이 시간 추정치는 우주가 145억 년의 수명에 비해 어린아이 같았던 때로 우리를 이끕니다.

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암흑 물질을 관찰하는 것은 훨씬 더 복잡하고 매혹적입니다. 암흑 물질은 우주 전체 질량의 약 85%를 차지하는 신비한 물질로 간주됩니다. 별, 행성 및 우리 몸을 구성하는 양성자와 중성자로 구성된 일반 물질과 달리 암흑 물질은 빛과 상호 작용하지 않습니다. 암흑 물질은 일반 물질과 상호 작용하지 않습니다.

초기 우주의 암흑 물질 탐지

우리는 암흑 물질이 빛 및 정상 물질과 상호 작용하지 않는다고 언급했습니다. 이 물질은 인류에게 알려진 어떤 현상과 상호 작용합니까? 대답은 암흑 물질을 보기 위해 천문학자들이 중력과의 상호 작용에 의존해야 한다는 것입니다.

아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 질량이 큰 물체는 시공간의 곡률을 일으킵니다. 주제를 더 잘 이해하기 위한 일반적인 유추 또는 예가 있습니다. 질량이 증가하는 공을 고정하는 탄성 고무 시트입니다. 질량이 클수록 시트의 압입이나 충격이 커집니다. 마찬가지로 우주의 몸체가 클수록 시공간의 뒤틀림이 더 심해집니다.

은하와 같은 거대한 물체는 시공간을 너무 많이 휘게 하여 은하 뒤의 광원에서 방출되는 빛이 휘게 만듭니다. 고무 패드에 구슬의 경로가 빗나가듯이. 이 효과는 하늘에서 광원의 위치를 ​​변경합니다. 중력 수렴이라는 현상입니다.

은하의 암흑물질 분포를 연구하기 위해 천문학자들은 은하의 뒷면에서 방출되는 빛이 어떻게 변화하고 통과하는 ‘일종의 렌즈 역할을 하는 은하’와 전체 중력 수렴 현상을 관찰할 수 있습니다. 은하가 조사 렌즈의 역할을 하는 암흑 물질이 많을수록 그것을 통과하는 빛의 왜곡은 더 커질 것입니다. 그러나 이 기술은 유용함에도 불구하고 한계가 있습니다.

최초이자 가장 멀리 있는 은하는 매우 어둡기 때문에 천문학자들이 더 먼 시간에 우주의 깊은 곳을 들여다보는 만큼, 수렴의 효과와 은하의 렌즈와 같은 역할은 결과적으로 점점 더 약해지고 약해집니다. 보기 어려워집니다. 반면에 과학자들은 큰 우주 배경 소스와 많은 수의 원시 은하가 모두 필요합니다. 이것은 일반적으로 암흑 물질 분포를 약 80억에서 100억년 된 은하로 매핑하는 것을 제한합니다.

중력 수렴과 빛 편향에만 의존하는 것은 한계가 있습니다.

그러나 CMB는 어떤 은하보다 훨씬 오래된 광원을 제공합니다. CMB는 퍼베이시브 방사선이며 우주가 원자를 형성할 만큼 충분히 냉각되고 광자 산란 자유 전자의 수가 우주론자들이 “마지막 산란”이라고 부르는 것으로 줄어들었을 때 생성되었습니다. 자유 전자의 감소로 인해 광자가 자유롭게 움직일 수 있었습니다. 세상이 갑자기 불투명한 상태에서 벗어나 빛에 대항하여 투명한 상태(빛이 통과할 가능성이 있음)를 취했음을 의미합니다.

반면에 CMB는 우주의 다른 먼 광원과 마찬가지로 중력 수렴 현상으로 인해 암흑 물질을 포함하는 은하에 의해 편향될 수 있습니다.

하리칸 유이치 도쿄 대학의 조교수는 성명에서 다음과 같이 말했습니다.

대부분의 연구자들은 오늘날부터 80억 년 전까지 암흑 물질의 분포를 측정하기 위해 선조 은하를 사용합니다. 그러나 우리는 과거를 더 자세히 볼 수 있었습니다. 암흑 물질을 측정하기 위해 더 먼 CMB를 사용했기 때문입니다.

연구팀은 우주 나이가 겨우 17억 년이었을 때 암흑 물질을 탐지하기 위해 CMB로 조사한 고대 은하 샘플의 평행 왜곡을 비교했습니다. 결론은 감지된 고대 암흑 물질이 매우 다른 우주 그림을 그린다는 것입니다.

하리칸에 따르면:

처음으로 우리는 우주의 거의 초기 순간부터 암흑 물질을 측정했습니다. 120억 년 전에는 상황이 많이 달랐습니다. [در آن زمان] 당신은 지금보다 더 많은 은하가 형성되는 것을 봅니다. 최초의 은하단도 형성되기 시작했습니다.

이 성단은 많은 양의 암흑 물질에 중력적으로 결합된 100~1000개의 은하로 구성될 수 있습니다.

암흑물질은 질량인가?

팀의 발견에서 가장 중요한 측면 중 하나는 초기 우주의 암흑 물질이 현재의 많은 모델이 제안하는 것보다 덜 컴팩트했을 가능성을 높인다는 것입니다.

예를 들어, 과학계에서도 널리 인정되는 람다 CDM이라는 모델은 CMB의 작은 변동이 중력의 생성으로 이어져 밀도가 높은 물질 다발을 생성해야 한다고 제안합니다. 이러한 변동은 결국 물질의 붕괴로 이어져 은하, 별, 행성을 형성하고 암흑 물질의 조밀한 주머니를 생성하게 됩니다. 허리케인은 다음과 같이 말했습니다.

우리의 연구 결과는 여전히 결정적이지 않습니다. 그러나 그것이 사실이라면 우리가 시간을 거슬러 올라가 우주의 초기에 가까워짐에 따라 현재의 모든 모델에 결함이 있음을 나타낼 수 있습니다. 신난다; 불확실성을 줄인 후에도 최근 결과가 유효하다면 이전 모델의 개선을 나타낼 수 있고 아마도 암흑 물질 자체의 본질에 대한 더 나은 통찰력을 제공할 수 있기 때문입니다.

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연구팀은 계속해서 데이터를 수집할 것입니다. 그들은 람다 CDM 모델이 초기 우주의 암흑 물질 관측과 일치하는지 평가하기를 원합니다. 그렇지 않으면 이 모델의 이면에 있는 가정을 수정해야 합니다.

팀이 최근 결과에 도달하기 위해 사용한 데이터는 Subaru Hyper Suprime-Cam Survey에서 가져왔습니다. Subaru Hyper는 하와이에 위치한 망원경의 데이터를 분석합니다. 그러나 연구자들은 지금까지 이 데이터의 1/3만 사용했습니다. 다시 말해, 나머지 관측치를 추가하면 암흑 물질 분포에 대한 더 나은 지도를 사용할 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다.

연구팀은 또한 Vera C. Rubin Observatory의 LSST(Legacy Space and Time Survey) 데이터를 기대하고 있습니다. 가장 최근에 기록된 시간보다 더 먼 시간에도 암흑물질을 관찰하고 조사할 수 있는 데이터.

Harikan은 마지막에 다음과 같이 설명합니다.

LSST를 사용하면 하늘의 절반을 관찰할 수 있습니다. 130억 년 전 암흑 물질의 분포를 볼 수 없는 이유는 없습니다.

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