두개의 중성자별이 충돌해 합쳐지면서 발생하는 물질이 암흑물질 후보인 액시온으로 규명될 수 있다는 관측결과가 발표됐다. / space.com

지구에서 약 1억3000만 광년 떨어진 곳에 있는 두 중성자별의 충돌과 이 병합이 만들어낸 독특한 물리현상이 암흑물질(Dark Matters)을 새롭게 조명하고 있다. 

미국 워싱턴대학교 물리학자 부팔 데브 교수팀이 실시한 새로운 연구에 따르면, 지구에서 중력파 신호 GW170817로 감지된 중성자별 병합이 암흑물질의 유력한 후보 중 하나인 '액시온(Axion)'이라고 불리는 가상입자를 규명하는데 도움이 될 수 있을 것으로 보인다. 이 연구 결과는 3월 5일자 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 게재됐다.

액시온은 직접 검출된 적은 없지만, 입자물리학의 표준모형을 넘어 물리학을 확장하는 많은 모형에 등장하는데, 이것은 아원자 입자와 그들의 상호작용에 대해 현재까지 가장 가능성이 큰 설명 모델이다. 

암흑물질은 빛과 상호작용하지 않기 때문에 과학자들이 이해하고 설명하기 매우 어려운 요소인데, 이것은 암흑물질이 우리 눈에 잘 보이지 않는다는 뜻이다. 또한 암흑물질은 전자기력과 같은 다른 힘들과의 상호작용이 결여되어 있다는 것은 분명하다. 이같은 이상한 특징 때문에 암흑물질은 별, 행성, 우리 몸과 우리 주변의 모든 것을 구성하는 정상적인 물질의 구성 요소인 전자, 양성자, 중성자로 구성될 수 없다.

이 수수께끼는 우리가 알고 있고 표준모형에 포함된 일상적인 것이 우주 전체 물질의 15%에 불과하다는 사실로 인해 더욱 이해하기 어려워진다. 

연구팀은 "우리는 표준 모델을 넘어서는 새로운 물리학이 바로 코앞에 숨어 있을지도 모른다고 의심할 충분한 이유가 있다"면서 "중성자 병합과 같은 극단적 천체물리학 환경은 우주에 있는 모든 물질의 85%가 사라진 것을 이해하는 열쇠를 쥘 수 있는 액시온 같은 암흑 영역 입자를 찾는 데 새로운 기회를 제공한다"고 설명했다. 

중성자별은 질량이 큰 별들이 내부 핵융합에 필요한 연료 공급을 소진하여 더 이상 자신의 중력이 안쪽으로 밀려들어가는 것에 대항할 수 없을 때 탄생한다. 중성자별은 매우 밀도가 높아 티스푼 하나를 퍼 올려 지구로 가져온다면 약 1000만 톤의 무게가 나갈 것으로 추정된다. 엠파이어 스테이트 빌딩보다 30배쯤 무겁다. 

이 중성자별들이 항상 고립되어 존재하는 것은 아니며, 때로는 동료 중성자별 주위를 빙빙 돈다. 이 입자들은 중성자별의 융합 현장을 벗어나 빛의 입자인 광자를 포함한 다른 입자들로 붕괴될 수 있다. 연구팀은 이 입자들의 붕괴가 감마선 망원경으로 포착할 수 있는 독특한 전자기 신호를 만들어낸다고 생각한다. 이것이 액시온 및 유사입자에 대한 이해를 향상시킬 수 있는 데이터를 수집한 것으로 볼 수 있다는 것이다.

이같은 연구는 결국 암흑물질을 구성하는 입자의 발견으로 이어질 수 있으며 우주론에서 가장 시급한 질문 중 하나인 우주의 '잃어버린 물질'은 도대체 무엇으로 만들어졌는가를 밝히는 열쇠가 될 것이라고 연구팀은 믿고 있다.