블랙홀은 암흑물질(dark matter)을 싫어한다! 음의질량-암흑물질-암흑에너지

암흑물질의 특성과 관련한 최근의 연구들

인용글-1

Greedy Supermassive Black Holes Dislike Dark Matter
http://www.universetoday.com/13091/greedy-supermassive-black-holes-dislike-dark-matter/

 

인용글-2
Astronomers Find Black Holes Do Not Absorb Dark Matter
http://www.universetoday.com/60422/a...b-dark-matter/
Black holes may hint at the nature of dark matter

http://www.astronomy.com/asy/default.aspx?c=a&id=9686

 

아래 글에 대해서 KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr/) 글로벌동향브리핑, 2010-03-30

에 번역된 글이 있어서 올립니다.(제가 못찾고 있는 것인지도 모르지만, KISTI 글의 경우 개별 기사에 대한 고유주소가 확인이 안되어서 직접 타이핑해서 올립니다.)

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우주의 23%는 보이지 않고 주변에 미치는 중력을 통해서만 검출되는 신비의 암흑물질로 채워져 있다. 이러한 암흑물질은 암흑에너지와 더블어 현대 천체물리학의 최대 난제 중 하나다. 최근에는 암흑물질의 필요성을 제거할 수 있다고 주장하는 이론(GTB2010030210)이 발표되었고, 세계의 여러 실험실(GTB2010030021)에서 이러한 암흑물질을 검출하기 위한 실험을 진행하고 있지만 아직 큰 진전은 이루어지지 않고 있다. 이러한 가운데 최근 멕시코 국립 자치대(National Autonomous University of Mexico)의 두 천문학자들은 블랙홀 근처에서 암흑물질이 거동하는 방식에 대한 단서를 발견했다.

 

초기 우주에서 암흑물질 덩어리들은 가스를 잡아당겼을 것으로 생각된다. 이러한 힘에 의한 뭉친 가스들은 별이 되었고 결국에는 오늘날 우리가 볼 수 있는 거대한 은하계를 형성하게 되었다. 천문학자들은 은하계의 형성과 진화를 이해하기 위해 암흑물질이 별에 흡수되는 것을 시뮬레이션하려고 많은 시간을 보내왔다.

 

멕시코 국립 자치대의 천문학자, Xavier Hernandez William Lee는 은하계의 중심에 위치한 블랙홀이 암흑물질을 흡수하는 방식을 계산해냈다. 이러한 블랙홀들은 태양의 1백만 배에서 10억 배 사이의 질량을 가지며 매우 빠른 속도로 물질을 빨아들인다. 연구자들이 새롭게 제시한 블랙홀의 암흑물질 흡수하는 모형에서 블랙홀이 물질을 흡수하는 속도는 블랙홀 근처에 분포된 암흑 물질의 양에 매우 민감하게 반응한다. 암흑물질의 밀도가 임계밀도(1세제곱 광년 당 태양 질량의 7)보다 크면 블랙홀은 주변의 암흑물질을 삼키며 급격히 질량이 증가해 짧은 시간 안에 전체 은하계의 모습이 눈에 보일 정도로 바뀌게 된다.

 

Hernandez은하계들이 태어나고 수십억 년이 지나는 동안 블랙홀이 급격히 물질을 흡수했다면 은하계의 개수는 현재 우리가 관측 할 수 있는 것과 매우 달랐을 것이다.” 라고 말했다. 급격한 암흑물질의 흡수로 인한 블랙홀의 빠른 성장은 전체 은하계를 집어삼킬 정도로 비대한 블랙홀들을 예견하지만 실제로 그러한 일은 일어나지 않은 것으로 보인다. 이것은 암흑물질의 밀도가 블랙홀 주변에서 그렇게 높지 않다는 것을 의미한다.

 

결국 두 연구자의 계산이 맞다면 기존의 이론들이 제시하던 암흑물질에 대한 가정들이 수정되어야 한다. 먼저 은하계 중심에서 암흑물질의 밀도는 상수가 되어야 하며, 암흑물질은 기존에 생각했던 것과 다른 방식으로 행동할 가능성이 있다. 또 다른 설명으로는 암흑물질이 일반 물질과 상호작용하는 기존 이론을 인정한 채 암흑물질이 암흑물질 자신에 미치는 영향을 추가하는 것이 있다. 암흑물질이 일반 물질과 상호작용이 거의 없다고 해서 자기 자신과 상호작용하지 않는다는 것을 의미하지는 않기 때문이다.

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간단하게 설명하면, 암흑물질이 일반물질과 인력적인 상호작용을 해온 존재이고, 은하내부에 분포하고 있다면, 은하중심부의 블랙홀이 암흑물질을 흡수함에 의해서, 훨씬 더 빨리 성장했을 것이며, 은하의 나이를 고려하면, 대부분의 은하는 블랙홀에 모두 삼켜진 상태가 되어야 한다는 것입니다. 그러나, 대부분의 블랙홀이 은하 전체를 집어삼키지 않고 있는 현재의 관측결과로부터 은하계 중심부의 암흑물질 밀도가 상수로 일정해야 하며, 이는 "은하계 중심부의 블랙홀이 암흑물질을 흡수하지 않거나, 흡수하는 량이 매우 작아야 한다"는 것을 시사합니다.


2번째 논문에 대한 Universe Today 기사의 제목에 그러한 의미가 실려 있습니다.
"Astronomers Find Black Holes Do Not Absorb Dark Matter" 


인용글-3

Dark matter is held together by 'attractors'

http://www.physorg.com/news200673321.html

 

KISTI  미리안 글로벌동향브리핑, 2010-08-18

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암흑 물질의 형태에 대한 이해

 

[ 그림 ] 슈퍼컴퓨터로 시뮬레이션된 암흑 물질 구조, 암흑 물질의 밀도는 내부에서 가장 크며, 표면 쪽으로 갈수록 감소함.

 

우주는 다량의 보이지 않는 암흑 물질(dark matter)로 구성된다. 우리는 그것이 무엇인지를 모르지만, 우리는 그것이 어딘가에 존재할 것이란 것을 그리고 암흑 물질이 없다면 은하계가 존재하지 않아 항성, 행성, 생명체가 존재할 수 없다는 것을 알고 있다.

우주는 암흑 물질에 의해 지배되는 커다란 구조로 채워져 있으며, 이러한 암흑 물질 구체 혹은 광 발산 입자(할로(haros))는 항성과 기체 덩어리를 형성한다. 최근 이러한 암흑 물질 할로는 소위 인력체(attractors)를 갖고 있어 이들의 형태가 보존된다는 시뮬레이션 결과가 보고되었다.

 

암흑 물질 할로가 왜 그러한 형태를 취하고 있는지 이해되지 못했었다. 암흑 물질 입자는 단지 중력의 당김만을 느끼기 때문에 내부에서 외부 영역으로 이동할 때 입자의 밀도가 어떻게 변화되는지를 알아내는 것은 간단하다. 그러나 그 누구도 암흑 물질의 온도와 밀도 조건에서 그와 같은 형태가 발생되는지를 이해하진 못했었다고 코펜하겐대(University of Copenhagen) 닐스 보어 연구소(Niels Bohr Institute)의 스틴 한센(Steen Hansen)은 말한다.

 

또한 할로의 온도와 밀도의 간단한 구조에 대한 근본적 이유가 존재하는지 혹은 이들의 형태가 우주에서의 충돌 혹은 극적인 사건들에 의한 것인지도 알지 못했었다. 항성은 특징적으로 거동한다. 항성이 출현할 때 항성의 표면 온도와 밝기를 측정할 수 있다. 수소를 태우는 프로세스가 진행 중인 거의 모든 항성들은 일정한 상태를 갖는 주된 경로를 겪게 된다. 이러한 일정함은 보통의 밝게 빛나는 입자의 인력체이다. 왜냐하면 수소 원자가 헬륨을 형성하기 위해 서로 융합될 때 방사 압력(radiation pressure)과 중력 사이의 일정한 균형이 항상 존재하기 때문이다.

 

또한 암흑 물질도 특징적인 거동을 한다. 암흑 물질 입자는 방사 압력이 없기 때문에 이들이 항성에서와 유사한 인력체를 갖고 있는지를 이전에 알지 못했었다. 모든 암흑 물질 할로가 사실상 동일하게 보이는 이유도 설명되지 못했었다. 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 최초로 암흑 물질 할로가 인력체를 갖고 있다는 것을 입증할 수 있었다. 그들은 할로의 내부 영역으로부터 외부 영역에 대해 암흑 물질의 온도와 밀도 상태간 특별한 상관관계를 발견할 수 있었다.

 

연구진은 완벽한 균형 상태에 있는 많은 상이한 암흑 물질 할로에 대한 컴퓨터 모델을 생성하였다. 이후 그들은 이러한 구조를 변화시키기 위해 에너지를 이동시켰다. 이러한 일은 항성에 대해서도 가능하다. 한편, 시뮬레이션 결과에 따르면 모든 할로는 동일하고 일정한 형태로 그들의 상태를 변화시키는 것으로 확인되었다. 이러한 방식으로 암흑 물질 할로는 항성과 완벽히 구분된다.

 

항성이 수소를 소모할 때, 항성은 주요 경로로부터 멀리 움직이게 되며, 이를 통해 인력체를 남기게 된다. 암흑 물질이 방사선을 방출하거나 서로 충돌한다는 결과를 얻을 수 없었기 때문에 연구진은 이러한 할로가 인력체를 영원히 유지하는 것으로 결론내릴 수 있었다.

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위의 두논문과 아래의 한 논문의 연구결과가 상이하며, 암흑물질(dark matter)에 대하여 서로 다른 형태의 행동을 설명하고 있습니다. 기존의 양의 질량으로된 암흑물질 가설로는 맨위의 블랙홀이 암흑물질을 싫어하는 이유또는 은하중심부에서의 암흑물질의 거동을 설명할 수 없습니다. 또한, 아래의 시뮬레이션 결과처럼 암흑 물질의 밀도는 내부에서 가장 크며, 표면 쪽으로 갈수록 감소함.” 라는 결과와도 상충됩니다.

 

그러나, 제가 제기했던 암흑물질이 음의질량으로 이루어져 있다는 가설에 의하면, 위의 두가지 모두가 자연스럽게 설명이 됩니다.

 

암흑물질(dark matter)은 음의질량(negative mass)으로 이루어져 있다! - http://icarus2.egloos.com/2732221

포스팅을 보시면, 은하밖에 분포하는 음의 질량(암흑물질)”로부터 은하내에 구심력 효과를 만들어 낼 수 있음을 알 수 있습니다.


 [ 균일하게 분포하고 있는 음의 질량에 둘러싸인 은하구조 ]
중요한점 한가지는 이러한 구조가 작위적인 가정이 아니라, 음의 질량과 양의 질량의 본질적인 특성으로부터 나오는 구조라는 것입니다. (동영상 참조 : http://icarus2.egloos.com/2971055)

1)   왼쪽에 흰색의 비어있는 공간은 달리 표현하여, 음의 질량과 양의 질량이 동일한 밀도로 가득차 있는 공간이라 가정해 보면,

흰색의 비어있는 공간 = 0 = (+ mc^2) + (- mc^2) = 0

 

2)   이제 전영역에 걸쳐 음의 질량이 균일하게 분포하므로, 질량 m에 작용하는 음의 질량에 의한 효과는 0 이 됩니다.

3)   이제 남아있는 질량은 왼쪽 흰색의 영역 전체에 양의 질량이 음의 질량 밀도로 분포하고 있게 되고, 균일하게 분포한 양의 질량이 반경 R에 위치한 양의 질량 m에게 작용하는 중력은 반경 R 이내의 질량 분포만이 m에게 중력을 작용시킴을 알 수 있습니다.Shell Theorem.


4)
  
따라서, 최종적으로

, 거리 r 에 비례하는 형태의 암흑물질분포를 설명할 수 있습니다.

     ** 참고사항 : 위의 모델링에서 간단한 분석을 위해서 균일하게 분포하는 은하밖의 음의질량(암흑물질) 분포로부터 은하내의 항성들의 공전속도를 구하는 것을 설명하였습니다만, 음의 질량간의 척력적인 특성으로 인하여 균일하게 분포하는 음의 질량(암흑물질)들이, 은하형성과정에 오랜시간동안 은하로부터 인력적인 효과를 받기에 실제로는 은하에 가까울수록 밀도가 높고 멀수록 밀도가 낮은 밀도 분포를 갖을 것입니다. 

은하 밖에 분포하는 음의 질량(암흑물질)”의 존재는 은하내에 구심력 효과를 발생시킴에 의해서 은하의 로테이션 커브를 설명하는 반면에, 실제 음의질량(암흑물질)의 분포는 은하외부에 있기에 은하내의 개별 중력원의 위치와 동역학적인 특성에 의한 영향을 거의 받지 않는 다는 것입니다.

 

가령, 맨처음의 두개의 논문에서 설명한 기존의 암흑물질 가설이 주장하는, 양의 질량으로된 암흑물질이 은하내부에 존재한다면, 은하중심부의 블랙홀의 중력효과 때문에 블랙홀이 매우 빠르게 성장하고, 따라서 은하전체를 삼킬정도의 블랙홀을 이루게 됨을 시사하고 있습니다.

 

그러나, 은하 외부에 존재하는 음의 질량으로 인한 구심력 효과는 은하의 로테이션 커브를 설명하는 구심력효과를 만드는 동시에, 은하 중심부의 블랙홀로 암흑물질의 유입이 생기는 것은 아니기에 블랙홀이 지금처럼 작은 모습들을 설명할 수 있습니다.

윗 글의 말미에 있엇던

결국 두 연구자의 계산이 맞다면 기존의 이론들이 제시하던 암흑물질에 대한 가정들이 수정되어야 한다. 먼저 은하계 중심에서 암흑물질의 밀도는 상수가 되어야 하며, 암흑물질은 기존에 생각했던 것과 다른 방식으로 행동할 가능성이 있다.”

 

이 문장의 내용처럼, 은하외부에 분포하는 음의질량(암흑물질) 모델은 은하계 중심에서의 암흑물질의 밀도가 블랙홀과 같은 강한 중력원의 국소적인 위치에 영향받지 않음을 충분하게 설명해 줍니다.

 

또한, 세번째 인용글에 설명된 암흑 물질 구조, 암흑 물질의 밀도는 내부에서 가장 크며, 표면 쪽으로 갈수록 감소함암흑물질 할로에 대한 어트렉터(attractors)”에 대해서도 일관된 설명을 제공해 줍니다.

앞서, 많은 설명과 동영상 시뮬레이션의 결과에서도 보여주었듯이, 개별 음의질량(, 암흑물질)이 은하에 인력적인 효과를 받고 있기 때문에, 은하가 암흑물질 할로에 대한 어트렉터 역할을 수행하며, 암흑물질들이 무리지어(클러스터링) 있을 수 있게 해줍니다.

따라서, 중력원 즉 은하계에 가까운 위치일수록 "음의질량(암흑물질)"의 밀도가 높고, 먼곳일수록 밀도가 낮습니다. 이러한 효과는 구심력효과에 대응되는 은하계 내부의 가상적인 양의 암흑물질의 밀도분포에서도 은하계 중심쪽이 밀도가 높고, 은하계 외곽쪽이 밀도가 낮은 형태의 결과를 설명합니다.


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Hypothesis of dark matter and dark energy with negative mass :
http://vixra.org/abs/0907.0015
Bad Astronomy And Universe 커뮤니티에 올린 글 :

http://www.bautforum.com/showthread.php/105870


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