목성 탐사를 다시 하려는 진짜 이유 ㅎㄷㄷ | 목성에 암흑 물질이 모여있다!?

1994년 7월 목성을 보던 천문 학자들은 놀란 광경을 목격했습니다 앞서 1992년 목성에 다가가면서 강한 중력으로 인해 스 조각으로 쪼개진 슈메이커 레비의 조각들이 목성 표면을 향해서 곤두박질 치기 시작했죠 그리고 목성의 구름 표면 위로 어두운 멍자국이 남았습니다 해성 조각이 추락하면서 목성 표면엔 순간 밝은 충격파가 퍼지는 것까지 포착되었고 마침 목성 위로 태양빛이 비춰지는 낮 부분과 태양을 등진 반 부분의 경계 위에서 해성 조각이 추락하면서이 충격파가 퍼지는 모습을 더욱 선명하게 볼 수 있었습니다 그런데 태양을 등지고 있는 목성의 깜깜한 반 부분에서 우리가 볼 수 있는 건 해성의 추락이 남긴 충격파 뿐만이 아닐 수도 있습니다 최근 천문 학자들은 바로이 목성의 반 부분에서 현대 우주론의 아주 오래된 미스터리 암흑 물질의 흔적을 발견할 수 있다는 아주 놀라운 추장을 하고 있는데요 우주먼지 현자 타임즈 우리 태양계의 목성을 하나의 거대한 암흑물질 검출기로 자는이 놀라운 아이디어에 관한 이야기를 소개합니다 목성을 비롯한 태양계 외곽의 거대가 생성은 많은 양의 수소를 품고 있습니다 사실 수소는 우주 전체 질량의 75% 차지하는 가장 흔한 성분이죠 보통 별과 별 사이 선간 우주 공간에서 우리가 쉽게 볼 수 있는 수소의 형태는 안정된 수소 원자 두 개가 맞붙어 있는 수소 분자 H2 형태입니다 아주아주 온도가 낮은 성간 공간에서도 충분히 존재할 수 있는 안정된 형태죠 그런데 주변에서 제를 발산하는 블랙 홀이나 강한 자외선 빛을 내뿜는 밝은 별처럼 사방으로 강한 에너지를 토해내는 천체가 있다면 조금 다른 형태의 수소가 존재할 수 있습니다 세개의 수소 원자가 모여서 이루어지는 트라이 하이드로젠 케타이 3원자 수소 이온이 보통 수소 원자 하나에는 중심의 양성자 하나 그리고 주변에 전자 하나로 이루어집니다 안정적인 수소 분자는 이러한 수소 원자 두 개가 모여서 총 양성자 두 개 전자 두 개로 이루어지죠 그런데 만약 주변에 강렬한 빛을 뿜는 천체가 있고 그로부터 강한 에너지를 받게 되면 수소 분자에서 전자 하나가 떨어져 나옵니다 그리고 이원자 수소 이온 h2p 만들어지죠 이렇게 만들어진 이원자 수소 이온은 주변에 있던 다른 평범한 수소 원자와 다시 결합하게 되고 최종적으로 수소 원자 세 개에서 전자 하나만 떨어져 나온 삼각형 모양으로 결합된 3원자 수소 온을 만들 수 있습니다이 독특한 형태의 수소 이온은 이미 1911년 물리학자 JJ 톰슨이 이 플라즈마 실험을 하는 와중에 우연하게 발견하면서 그 존재가 알려지기 시작했죠 목성에 이러한 삼원자 수소 이온이 존재합니다 태양이 방출하는 고에너지 태양풍 입자들은 그대로 목성의 구름을 향해 날아옵니다 그리고 그 속에서 삼원자 수소 온이 만들어지죠 따라서 특히나 태양을 바로 마주보고 있는 목성의 밝은 낮 부분 쪽에선 삼원자 수소 이온을 쉽게 검출할 수 있습니다 또 목성은 강한 자기장을 형성하고 있죠 그래서 목성의 자기장 흐름을 따라서 고에너지 입자들이 들이 목성의 북극과 남극에 집중되고 지구에서 럼 극지방을 중심으로 밝은 오로라가 형성됩니다 그리고 극지방 주변에서 더 많은 삼원자 수소 이온도 만들어지죠 반면 태양을 등지고 있는 목성의 어두운 밤 쪽에선 목성의 구름속 수소 원자들을 자극할 만한 강한 에너지가 없습니다 따라서 3원자 수소 요이 밤 쪽 부분엔 거의 없을 거라고 생각할 수 있죠 그런데 꼭 그렇지 않을 수도 있습니다 목성의 구름 속에 있는 수소 원자들을 자극하는 에너지원이 태양풍 우주 방사선 man 있을까요 또 다른 에너지원이 있다면 어떨까요 예를 들어 암흑물질 말이죠 원래 암흑물질은 은하 속 별들의 지나치게 빠른 움직임을 설명하기 위해서 도입되기 시작한 개념이죠 빛을 흡수하지 방출하지 않는 빛과는 그 어떤 상호 작용도 하지 않지만 오직 질량 man 갖고 있는 미지의 물질이라고 추정합니다 그래서 현재 암흑 물질은 우리 우주를 설명하기 위해서 필요한 부족한 중력을 마저 채워 주는 역할을 맡고 있죠 하지만 암흑물질의 정 는 아직 밝혀지지 않았습니다 애초에 일단 암흑 물질이 정말 다른 물질들 럼 어떤 기본 입자로 구성된 물질이기 한 건지조차 확실치 않죠 만약 암흑 물질이 어떤 입자로 이루어진 존재라면 한 가지 신락 같은 희망을 고려할 수 있는데요 암흑물질 입자도 결국 그에 대응되는 반물질 반입자가 존재할 수 있습니다 그리고 암흑물질 입자와 반입자가 서로 부딪히면 두 입자 전체 질량이 고스라니 에너지로 바뀌면서 함께 사라지는 쌍소멸과 정이 가능하죠 비록 암흑물질 입자 혼자선 빛을 바라지도 흡수하지 못하지만 암흑물질 입자끼리 쌍 소멸은 주변 우주 공간에 충분히 강한 에너지를 남길 수 있습니다 실제로 일부 천문학자들은 이러한 암흑물질 그리의 쌍소멸 과정에서 방출되고 있을지 모르는 고에너지 감마선 선의 흔적을 찾는 시도를 하게 되는데요 물론이 관측도 지금껏 뚜렷한 증거는 보이지 못하고 있죠 암흑물질은 보통 은하나 은하단 규모에서 그 속에 별과은 들의 움직임을 설명하려고 등장합니다 그래서 흔히들 암흑 물질은 은하적 공간에만 존재하고 있을 거라 생각하곤 하는데요 하지만 꼭 그럴 필요가 있을까요 우리 태양계도 우리 은하계 안에 포함된 작은 일부입니다 은하 안에 암흑 물질이 곳곳에 퍼져 존재한다면 당연히 그 일부인 우리 태양계 공간까지도 암흑물질은 스며들어 있을 겁니다 그리고 암흑물질 그리의 쌍소멸 과정은 태양계 곳곳에서 벌어지면서 강한 에너지와 흔적을 남기고 있을지도 모르지요 바로 이번 연구에서 물리학자들은 이러한 아암 물질 그리의 쌍 소멸이 목선과 같은 거대 가스 생성의 대기권 속에서 벌어지고 있을 가능성을 주목했습니다 만약 그렇다면 쌍 소멸에서 방출되는 강한 에너지는 목성의 구름속 수소 원자를 자극하게 되죠 결국 아주 불안정한 3원자 수소 요까지 만들 수 있습니다 따라서 목성의 구름 속에서 우리가 예상했던 것보다 더 많은 양의 3원자 수소 이온이 검출된다면 그것은 목성 속에서 암흑물질 입자끼리 쌍 소멸이 벌어지고 있을지 모른다는 것을 보여주는 간접적인 증거 가 될 수 있죠 물론 앞서 이야기했듯이 목성에서 3원자 수소를 만드는 과정은 하나만 존재하진 않습니다 태양풍 입자를 얻어맞으면서 구름속 수소원자가 이혼해 될 수도 있고 목성에 강한 자기장을 따라 오로라가 형성될 때도 만들어지죠 따라서 이러한 일반적인 방식으로 만들어진 3원자 수소용 사이에서 암흑 물질로 방출된 에너지를 통해서 만들어진 수소용 따로 구분 필요가 있습니다이를 위해서 이번 연구진은 태양빛이 비춰지지 않는 바로 태양을 등진 목성의 밤죽 부분 특히 극지방에서 멀리 벗어난 적도에 가까운 저위도 지역의 반 부분에 주목했죠 만약 태양을 등지고 있는 깜깜한 목성의 반대편 반부의 구름 속에서도 꽤 높은 수준의 3원자 수소용이 검출된다면 그건 태양빛이 아닌 또 다른 미지 에너지 원 때문에 만들어진 수소 이혼이라고 볼 수 있습니다 그렇다면 정말이 목성의 구름 속엔 3원자 수소 이온이 존재하고 있을까요 사실이 관측은 오래전에 진행이 된 적이 있습니다 토성을 향해 가던 카시니 탐사선은 2000년 12월 목성에 접근했고 목성 플라이 바이를 진행했습니다 그리고 이때 카시니의 태양을 등진 목성의 깜깜한 밤죽 부분을 빠르게 휩쓸고 지나갔죠이 과정에서 카신이 탑재된 센서는 목성의 구름속 3원자 수소 이온의 존재 여부를 확인했습니다 다행히 3원자 수소 이온은 우리가 일상적으로 관측할 수 있는 3에서 5마이크로미터 범위의 적외선 영역에서 흔적을 남깁니다 그래서 글이 어렵지 않게 그 존재 여부와 함량을 알 수 있죠 하지만 아쉽게도 당시 카시니 탐사선의 관측은 목성의 반부의 구름 속에서 그 어떤 흔적도 보지 못했습니다 즉 카신이 탐사 결과에 따르면 태양을 등진 목성의 반부 엔 3원자 수소는 검출되지 않았다는 뜻이죠 그렇다면 이번 연구에서 제안한 목성 자체를 하나의 거대한 암흑물질 검출기로 써먹어 보자는 제한은 완전 꽝이 되어 버리는 걸까요 아니 애초에 이미 20년도도 전에 카시니 탐사를 통해서 목성 속에 3원자 수소 이온이 존재하지 않는다는 사실을 확인했는데 왜 이제 와서 이런 아이디어로 뒷북을 치는 걸까요 흥미롭게도 오히려 당시에 카시의 탐사에서 삼원자 수소용이 검출되지 않았다는 사실은 암흑 몰질 입자의 특성을 더 명확하게 특정지을 수 있는 새로운 실마리가 될 수 있습니다 카시니 탐사선이 목성을 지나가던 당시 아무런 흔적을 검출하지 못했던 건 어쩌면 3원자 수소 UN이 하나도 존재하지 않았기 때문이 아닐 수도 있습니다 어쩌면 존재하긴 하지만 그 양이 너무나 적었기 때문일 수 있죠 목성의 구름 속에서 삼원자 수소인이 방출하는 빛의 세기가 너무나 미미했고 카시니의 관측 장비가 느낄 수 있는 관측 한계까지 미치지 못했을 가능성이 있습니다 우린 아주 정확하게 카시니의 장비가 어느 정도 세기 이상의 신호를 검출할 수 있는지 그 관측의 한계를 알고 있죠 따라서이 한계를 거꾸로 적용하면 당시 목성의 구름 속에 3원자 수소 이온의 신호가 어느 정도 수준 이하 있을지 그 범위를 제한할 수 있습니다 즉 목성 속에서 쌍 소멸을 하고 있을지 모르는 암흑물질 입자들이 최대 어느 정도 레벨까지 에너지를 만들고 있을지 암흑물질 입자가 방출하고 있 있는 에너지의 양의 범위가 특정되는 거죠 암흑물질 입자가 서로 부딪히는 쌍 소멸을 통해서 얼마나 많은 에너지를 남길 수 있는지는 크게 두 가지의 요인으로 결정됩니다 우선 첫 번째 각각의 암흑물질 입자의 질량이 질량은 곧 에너지 에너지는 곧 질량이란 등가 올리를 이야기하는 아인슈타인의 그 유명한 공식이는 MC 스퀘어에 적용하면 쌍소멸 순간 사라지는 암흑물질 입자 두 개의 전체 질량이 고스란이 에너지로 바뀐다는 걸 알 수 있습니다 따라서 추정 는 암흑물질 입자에 위한 에너지의 범위를 통해서 각 암흑물질 입자의 질량 범위까지 이야기할 수 있지요 또 다른 요인 두 번째는 암흑물질 그리 얼마나 빈번하게 충돌하는가 합니다 각 입자가 서로 얼마나 빈번하게 부딪힐 수 있는지 각 입자들의 이동 경로가 겹치게 되는 확률을 각 입자가 가지고 있는 단면적의 크기로 결정할 수 있습니다 입자 하나가 차지하는 단면적이 넓다면 그만큼 서로의 단면적이 겹치면서 부딪힐 가능성은 높아집니다 단면적이 작다면 서로 겹치지 않고 튀어 다닐 수 있게 되죠 결국 목성 속에서 암흑물질 입자가 방출하고 있을지 모르는 전체 에너지의 양은 암흑물질 입자의 질량과 각 입자의 단면적이 두 가지로 결정되는 함수라고 볼 수 있습니다 앞선 카시니 탐사에서 3원자 수 소요에 의한 신호는 그 어떤 것도 보지 않았기 때문에 우리는 목성 속에 살고 있을지 모르는 암흑물질 입자들이 카시니 장비에 관측한 계 이하까지만 에너지를 만들고 있을 것이라 가정할 수 있습니다이 카시니 탐사선의 관측 장비 검출 한계를 넘지 않는 범위에서가 상의 암흑물질 입자들의 질량과 단면적을 다양하게 적용하면 어느 정도 범위 안에서 암흑물질의 특성이 놓 수 있을지를 이야기할 수 있죠 이건 정말 혁신적인 발전입니다 우리가 어느 정도의 물리량의 범위 안에서 암흑물질 후보 입자를 탐색해야 할지 그 적정한 범위를 제한해 주기 때문이죠 무턱되고 모든 질량 범위 모든 단면적의 범위에 대해서 그냥 암흑 물질을 막 찾는 것이 아니라 어느 정도 특정한 범위 안에서만 암흑 물질을 탐색하면 됩니다 이건 실제 실험실 현장에서 암흑물질의 후보 입자를 찾으려고 수십년째 노력하고 있는 우리 물리학자들에게 훌륭한 가이드가 될 수 있겠죠 게다가 이번 연구는 더 놀라운 재밌는 가이드를 하나 더 제시하고 있는데요 암흑물질 입자가 굳이 우리 태양계 안에는 행성에 스며들 필요가 있을까요 당연히 태양계 바깥 다른 별 곁을 도는 가스형 외계행성 속에도 스며들 수 있습니다 그리고 그 속에서도 우리 목성에서 비슷한 암흑물질 그리의 쌍 소멸이 벌어진다면 각각의 별을 등진 깜깜 외계행성의 밤 부분에서도 더 많은 삼원자 수소 온의 존재를 검출할 수 있지요 암흑물질 입자들은 특히나 우리 은하에서 중력이 강한 은하 중심부에 갈수록 더 높은 밀도로 바글바글 채워져 있습니다 따라서 이왕이면 암흑 물질의 밀도가 높은 은하 중심 부근에 존재하는 외계행성을 관측하는 것이 더 유리하겠죠 이번 분석에선 우리 은하 중심으로부터 대략 300 광년 3천 광년 정도 거리에 떨어진 목성 질량의 열배 정도 되는 무거운가 생성이 있다는 상황 상황을 가정하고 그 외계행성의 대기 속에선 어느 정도 레벨의 신호를 검출할 수 있을지에 대한 예측까지 제시하고 있습니다 정말 이번 연구의 주장이 맞다면 우린 이제 태양계 외곽의 거대한 가스 행성들 목성 토성 천왕성 해왕성을 새로운 암흑물질 검출기로 쓸 수 있게 됩니다 가스 생선 구름 속에 몰래 스며든 암흑물질 입자끼리 쌍소멸 과정에서 방출된 에너지의 흔적을 그 짙은 구름 속에서 찾으면 되니까요 다만 중요한 한계가 있습니다 애초에 순수하게 암흑물질 입장가 남긴 흔적을 보기 위해선 태양을 등지고 있는 각 행성들의 깜깜한 밤 쪽 부분을 봐야 하죠 그런데 지구에서 관측하는 목성과 토성의 얼굴은 항상 태양빛을 받아 반사하고 있는 밝은 나쪽에서 사실상 지구 전역의 지상 마경 또 지구 주변을 돌고 있는 허블과 재색 같은 우주망원경을 쓰더라도 태양을 등지고 있는가 생성의 깜깜한 뒤통수는 볼 수 없겠죠 결국 목성과 토성을 거대한 암흑물질 검출기로 써먹기 위해선 지구에서만 관 하는 것이 아니라 다시 새로운 탐사 로봇을 주변으로 보내고 밤 쪽을 지나가면서 직접 탐사할 필요가 있습니다 카시니 탐사선도 벌써 20년도 더 전에 목선 곁을 방문했던 옛날 구닥다리 탐사선이 이젠 그보다 더 미약한 수준의 에너지까지 검출할 수 있는 더 발전된 검출기를 탑재한 새로운 탐사로봇을 보낼 수 있는 시대가 되었습니다 물론 여전히 우리 지구에서 목성과 토성까지 가는데만 수년의 긴 기다림이 필요하죠 하지만 천문학적으로 봤을 때 그나마 수년 년 안에 다다를 수 있는 코앞에 노인 태양계 행성 자체를 하나의 거대한 암흑물질 검출기로 써먹을 수 있다는이 아이디어 자체는 굉장히 매력적이라고 볼 수 있습니다 그저 태양계 기원과 행성의 형성 등 행성 과학 분야 정도에서만 활용될 줄 알았던 우리 태양계 행성들이 어쩌면 머지 하나 우주론의 가장 거대한 미스터리 암흑 물질의 정체를 밝혀주는 새로운 실험 무대가 될 수 있을지도 모르겠습니다 우주먼지 현자 타임즈 오늘은 여기에서 마칩니다 구독과 좋아요도 부탁드릴게요 우주먼지 여러분 감사합니다 안녕