우주 전체 질량의 약 27%를 차지하지만 단 한 번도 직접 관측된 적 없는 물질이 있습니다. 바로 암흑물질입니다(출처: NASA). 저는 어렸을 때부터 망원경으로 별을 관측하면서 우주의 신비에 빠져들었는데, 암흑물질이라는 존재를 처음 알았을 때 정말 당황스러웠습니다. 빛을 내지도 않고, 빛을 흡수하지도 않으면서 우주의 구조를 설명하는 데 반드시 필요하다니요. 그런데 최근 제임스웹 우주망원경을 이용한 전혀 예상치 못한 실험이 진행되었습니다. 망원경의 셔터를 닫고 암흑물질을 찾는다는, 상식을 뒤집는 시도였죠.
제임스웹을 암흑물질 검출기로 만든 역발상
망원경으로 암흑물질을 어떻게 찾을 수 있을까요? 천문학은 기본적으로 빛의 과학입니다. 망원경은 우주에서 날아오는 전자기파를 포착해서 천체를 관측하죠. 그런데 암흑물질은 전자기파와 전혀 상호작용하지 않습니다. 빛을 내지도, 반사하지도, 흡수하지도 않아요. 그래서 일반적인 망원경으로는 암흑물질을 절대 볼 수 없습니다.
여기서 암흑물질이란 중력적으로는 분명히 존재하지만 전자기적으로는 감지되지 않는 미지의 물질을 의미합니다. 은하의 회전 속도나 중력렌즈 효과를 설명하려면 반드시 필요하지만, 정작 그 정체는 아직 밝혀지지 않았죠.
그래서 최근까지 암흑물질 탐색은 주로 입자물리학 분야에서 이루어졌습니다. 지하 깊은 곳에 검출기를 설치하고 암흑물질 입자가 우연히 스쳐 지나가면서 남기는 미세한 신호를 기다리는 방식이었죠. 또는 대형강입자충돌기(LHC) 같은 입자가속기에서 양성자를 충돌시켜 암흑물질 후보 입자를 생성하려는 시도도 있었습니다. 여기서 LHC란 스위스와 프랑스 국경에 있는 둘레 27km의 거대한 원형 터널에서 양성자를 거의 빛의 속도로 가속시켜 충돌시키는 실험 장치입니다.
그런데 연구진은 전혀 다른 접근을 시도했습니다. 제임스웹 우주망원경의 근적외선 카메라(NIRCam) 검출기에 불투명 필터를 씌워 외부 빛을 완전히 차단한 겁니다. 쉽게 말해 망원경의 셔터를 닫은 상태로 실험을 진행한 거죠. 저는 기계공학자로서 이 아이디어를 처음 접했을 때 정말 흥분했습니다. 제임스웹은 이미 그 자체로 인류 최고 수준의 기술 집약체인데, 그걸 원래 목적과 정반대 방식으로 활용한다는 발상이 너무 신선했거든요.
망원경 검출기는 빛을 받으면 광전효과로 전자가 튀어나와 전류가 흐릅니다. 그런데 빛이 아니더라도 열이나 우주방사선 같은 요인으로 미세한 전류가 발생하죠. 이걸 노이즈라고 부릅니다. 연구진은 셔터를 닫은 상태에서 검출되는 전류 패턴을 분석했습니다. 만약 예상 노이즈보다 더 많은 전류가 검출된다면, 그건 셔터를 뚫고 들어온 무언가 때문일 겁니다. 바로 암흑물질 입자 말이죠.
핵심 포인트를 정리하면 다음과 같습니다.
- 망원경 셔터를 닫아 일반 빛을 완전 차단
- 열·방사선 등 예상 가능한 노이즈 패턴 계산
- 예상보다 많은 전류 검출 시 암흑물질 신호로 해석
- 우주 공간에서 지구 대기권의 간섭 없이 실험 가능
결과는 없었지만 의미는 컸던 실험
그렇다면 실험 결과는 어땠을까요? 아쉽게도 암흑물질의 직접적인 신호는 검출되지 않았습니다. 제임스웹의 검출기에서 측정된 전류 분포는 예상 노이즈 모델과 거의 일치했거든요. 저도 처음엔 '실패한 실험 아닌가?' 싶었습니다. 제가 취미로 천문학을 공부하면서 암흑물질에 대해 알아갈수록, 뭔가 결정적인 증거가 나왔으면 하는 바람이 커졌거든요.
하지만 과학에서 '발견하지 못한 결과'도 중요한 의미가 있습니다. 이번 실험은 암흑물질이 가질 수 있는 물리적 특성의 범위를 더 좁혔습니다. 물리학자들은 이걸 '배제 영역(exclusion limit)'이라고 부릅니다. 여기서 배제 영역이란 실험을 통해 암흑물질 입자가 가질 수 없다고 입증된 질량과 상호작용 강도의 범위를 의미합니다.
암흑물질 후보 입자의 물리량은 크게 두 가지로 표현됩니다. 하나는 질량(eV 단위), 다른 하나는 유효 단면적(cm² 단위)이죠. 유효 단면적이란 입자들이 서로 충돌할 확률을 면적으로 환산한 값입니다. 단면적이 클수록 다른 입자와 상호작용할 가능성이 높다는 뜻이에요.
그동안 전 세계 연구진이 수행한 다양한 실험들이 그래프 위에 색칠된 영역으로 표시됩니다. 이 영역들은 "암흑물질이 이 범위에는 없다"는 걸 보여주죠. 제임스웹 실험도 이 그래프에 새로운 배제 영역을 하나 추가했습니다(출처: arXiv). 아직 색칠되지 않은 하얀 영역이 점점 좁아지는 겁니다. 저는 개인적으로 이 과정이 일종의 소거법 같다고 생각합니다. 수학 문제를 풀 때 답이 아닌 선택지를 하나씩 지워나가는 것처럼요.
솔직히 말하면 두 가지 가능성이 있습니다. 하나는 우리가 계속 배제 영역을 좁혀가다 보면 언젠가 남은 영역에서 암흑물질을 발견하게 될 거라는 희망적인 시나리오입니다. 다른 하나는, 애초에 암흑물질 입자 같은 건 존재하지 않는데 우리가 헛수고를 하고 있을 가능성이죠. 제 경험상 과학은 때로 후자를 받아들이는 용기도 필요합니다. 하지만 현재로선 중력 효과를 설명할 다른 방법이 없기 때문에, 암흑물질 가설이 여전히 가장 유력합니다.
이번 실험의 진짜 가치는 방법론에 있다고 봅니다. 망원경을 원래 용도와 정반대로 활용한다는 역발상 말이죠. 제가 기계공학을 하면서 느낀 건, 기존 도구를 전혀 다른 방식으로 사용하는 창의성이 때로는 새로운 도구를 만드는 것보다 중요하다는 점입니다. 제임스웹이라는 수십억 달러짜리 망원경을 암흑물질 디텍터로 써보자는 과감한 시도 자체가 저에게는 큰 영감이었습니다.
천문학과 입자물리학은 이제 완전히 분리된 분야가 아닙니다. 우주를 관측하는 천문학자들이 보이는 것을 통해 보이지 않는 것의 단서를 제공하고, 입자물리학자들은 그 단서를 바탕으로 지상에서 실험을 설계합니다. 암흑물질을 찾는 과정은 이 두 분야가 어떻게 협력하는지 보여주는 완벽한 사례죠. 저는 암흑물질이 결국 발견될 거라 믿습니다. 다만 그 순간이 언제일지, 어떤 방법으로 찾을지는 아무도 모르는 거죠. 그래서 이런 다양한 시도들이 계속 필요합니다.
결국 이번 제임스웹 실험은 "암흑물질을 찾지 못했다"는 결과를 넘어서, "어디를 더 찾지 말아야 할지" 알려준 귀중한 데이터를 제공했습니다. 과학은 때로 무엇을 발견하느냐보다 무엇을 배제하느냐가 더 중요할 때가 있습니다. 앞으로도 이런 창의적인 시도들이 계속되길 기대합니다. 어쩌면 다음번엔 정말 암흑물질의 결정적 증거가 나올지도 모르니까요.