천문학 자들은 암흑 물질과 우주 덩어리 사이의 새로운 연결 고리를 발견합니다

천문학 자들은 암흑 물질과 우주 덩어리 사이의 새로운 연결 고리를 발견합니다

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연구원들이 액시온 이론을 테스트하는 데 사용한 Sloan Digital Sky Survey에서 볼 수 있는 지역 우주의 은하 지도. 각 지점은 은하계의 위치이며 지구는 지도의 중앙에 있습니다. 출처: Sloan Digital Sky Survey

오늘 발표된 연구에서 우주론 및 천체 입자 물리학 저널토론토 대학의 연구원들은 암흑 물질의 보이지 않는 특성과 우주 웹으로 알려진 우주의 대규모 구조를 모두 설명할 수 있는 이론적 돌파구를 공개했습니다. 그 결과 천문학의 오랜 문제인 이 두 가지 문제 사이에 새로운 연결 고리가 설정되어 우주를 이해할 수 있는 새로운 가능성이 열렸습니다.

이 연구는 우주 전체에 대규모로 물질이 예기치 않게 고르게 분포하는 것을 중심으로 하는 “응집 문제”가 암흑 물질이 액시온이라고 하는 가상의 초경량 입자로 구성되어 있다는 신호일 수 있다고 제안합니다. 감지하기 어려운 축의 존재를 증명하는 것의 의미는 암흑 물질을 이해하는 것 이상으로 확장되며 우주 자체의 본질에 대한 근본적인 질문을 해결할 수 있습니다.

“미래의 망원경 관찰과 실험실 실험으로 확인된다면, 액시온 암흑 물질을 발견하는 것은 금세기의 가장 중요한 발견 중 하나가 될 것입니다. 그리고 천체물리학. 토론토 대학에서 과학.

“동시에, 우리의 결과는 우주가 우리가 생각했던 것보다 덜 울퉁불퉁한 이유에 대한 설명을 가리키며, 지난 10여년 동안 관찰이 더 뚜렷해졌고 현재 우리의 우주 이론을 불확실하게 만듭니다.”

우주 질량의 85%를 차지하는 암흑물질은 빛과 상호작용하지 않기 때문에 눈에 보이지 않는다. 과학자들은 눈에 보이는 물질이 우주에 어떻게 분포되어 있는지 이해하기 위해 중력이 눈에 보이는 물질에 미치는 영향을 연구합니다.

축이 있거나 없는 우주의 일부에 대한 컴퓨터 시뮬레이션으로, 축이 있는 경우 암흑 물질의 우주 웹 구조가 얼마나 덜 울퉁불퉁한지 보여줍니다. 크기에 관해서는 은하수가 후광이라고 하는 작은 녹색 점 중 하나 안에 있을 것입니다. 출처: Alexander Spencer London/Alex Lago.

한 주요 이론은 암흑 물질이 액시온으로 구성되어 있으며 양자 역학에서 파동과 같은 행동 때문에 “퍼지”라고 설명합니다. 별개의 점과 같은 입자와 달리 액시온은 전체 은하보다 더 긴 파장을 가질 수 있습니다. 이 흐릿함은 암흑 물질의 구성과 분포에 영향을 미치며, 이는 축이 없는 우주에서 예상되는 것보다 우주가 덜 울퉁불퉁한 이유를 설명할 수 있습니다.

이러한 응집의 부족은 큰 은하에 대한 조사에서 관찰되었으며, 암흑 물질이 WIMP라고 하는 약하게 상호작용하는 무거운 아원자 입자로만 구성되어 있다는 다른 일반적인 이론에 도전했습니다. Large Hadron Collider와 같은 실험에도 불구하고 WIMP의 존재를 뒷받침하는 증거는 발견되지 않았습니다.

“과학에서는 아이디어가 풀리면 새로운 발견이 이루어지고 오래된 문제가 해결됩니다.”라고 Rogers는 말합니다.

이 연구를 위해 Rogers가 이끄는 연구팀은 Dunlap Institute의 Renee Hluczek 부교수 연구 그룹과 펜실베니아 대학, 고등 연구 연구소, Columbia University 및 King ‘s College London의 구성원을 포함합니다. Planck 2018 조사와 Atacama Cosmology 및 South Pole Telescope에서 얻은 우주 마이크로파(CMB)의 배경으로 알려진 빅뱅에서 남은 빛의 관측을 분석했습니다.

축이 있거나 없는 우주의 일부에 대한 컴퓨터 시뮬레이션으로, 축이 있는 경우 암흑 물질의 우주 웹 구조가 얼마나 덜 울퉁불퉁한지 보여줍니다. 크기에 관해서는 은하수가 후광이라고 하는 작은 녹색 점 중 하나 안에 있을 것입니다. 출처: Alexander Spencer London/Alex Lago.

연구원들은 이 CMB 데이터를 근처 우주에 있는 거의 백만 개의 은하 위치를 매핑하는 Baryon Oscillation Spectroscopic Survey(BOSS)의 은하단 데이터와 비교했습니다. 중력 하에서 암흑 물질의 거동을 반영하는 은하의 분포를 연구함으로써 우주 전체의 물질 양의 변동을 측정하고 예측보다 낮은 질량을 확인했습니다.

그런 다음 연구자들은 컴퓨터 시뮬레이션을 실행하여 긴 파장의 암흑 물질이 있는 우주에서 남은 빛의 모양과 은하 분포를 예측했습니다. 이러한 계산은 빅뱅 및 은하 클러스터링 데이터의 CMB 데이터와 일치하여 퍼지 축이 클러스터링 문제를 설명할 수 있다는 아이디어를 뒷받침합니다.

향후 연구에는 루빈 천문대(Rubin Observatory)를 통한 향후 10년 동안의 관측을 포함하여 수백만 개의 은하 지도를 작성하고 클러스터링의 정확한 측정을 제공하기 위한 대규모 조사가 포함될 것입니다.

연구자들은 자신들의 이론을 중력 렌즈 효과를 통한 암흑 물질의 직접적인 관찰과 비교하기를 희망하는데, 이는 암흑 물질의 덩어리가 거대한 확대경과 유사하게 멀리 떨어진 은하에서 오는 빛이 구부러지는 방식으로 측정되는 효과입니다. 그들은 또한 은하가 가스를 우주로 방출하는 방법과 이것이 암흑 물질의 분포에 어떤 영향을 미치는지 조사하여 연구 결과를 추가로 확인할 계획입니다.

우주를 형성할 때 중력은 수억 광년 길이의 보이지 않는 다리를 따라 은하와 은하단을 함께 묶는 거미줄 같은 필라멘트 구조를 만듭니다. 이것은 우주 웹으로 알려져 있습니다. 크레딧: Volker Sprengel(막스 플랑크 천체 물리학 연구소) 외.

암흑 물질의 본질을 이해하는 것은 우주의 기원과 미래를 이해하는 가장 시급한 근본적인 질문 중 하나이자 핵심입니다.

현재 과학자들은 중력과 양자 역학을 동시에 설명하는 단일 이론, 즉 만물의 이론을 가지고 있지 않습니다. 지난 수십 년 동안 모든 것에 대한 가장 인기 있는 이론은 모든 것이 끈과 같은 에너지의 여기로 구성되는 또 다른 낮은 수준의 양자 수준을 가정하는 끈 이론입니다. Rogers에 따르면 신비한 축 입자의 발견은 모든 것의 끈 이론이 정확하다는 힌트가 될 수 있습니다.

“우리는 이제 앞으로 10년 정도가 지나도 마침내 100년 된 암흑 물질 미스터리에 대해 경험적으로 이해할 수 있는 도구를 가지고 있으며 더 큰 이론적 질문에 대한 답의 힌트를 줄 수 있습니다.”라고 Rogers는 말합니다. . “희망은 우주의 수수께끼 요소가 풀릴 수 있다는 것입니다.”

추가 정보:
초경량 축 및 S8 장력: 우주 마이크로파 배경 및 은하 클러스터링의 공유 제약, 우주론 및 천체 입자 물리학 저널 (2023). DOI: 10.1088/1475-7516. iopscience.iop.org/article/10. …475-7516/2023/06/023

Beom Soojin

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