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우주의 암흑 물질의 분포는 중력 이론과 전산 모사를 통하여 간접적으로 알 수 있다. 은하의 중심에는 많은 암흑 물질이 분포할 것으로 예상되고 있다. 태양과 같은 항성의 중심이나 구상성단의 중심에 암흑 물질이 분포한다는 이론도 존재한다. 실험적으로는 이러한 곳에 존재하는 암흑 물질이 서로 쌍소멸하면서 발생하는 전자기파를 관측하려는 노력이 이어지고 있다. 우주 전체의 암흑 물질의 양은 [[우주 마이크로파 배경]]을 정밀 측정하여, 그 공간 분포를 이해하게 되면 알 수 있다. 이를 통해 알려진 우주 전체의 암흑 물질의 양은 일반 물질의 약 7배에 해당하며, 이것은 우주의 팽창을 멈추게 하기 위해 필요한 양의 1/4의 해당한다<ref>[[미국 항공 우주국]](NASA)의 [[WMAP]] 실험 결과, [http://map.gsfc.nasa.gov/news/5yr_release.html "Five Year Results on the Oldest Light in the Universe"].</ref>
 
암흑 물질은 빛과 상호작용을 하지 않기 때문에 광학적으로 관측할 수 없다. 하지만 우주에는 광학적으로 관측할 수 없는 존재가 매우 많다. 예를 들어 태양 규모 정도 혹은 그 보다 작은 항성은 핵융합에 의한 에너지를 모두 소모하게 되면 최종적으로 [[백색왜성갈색왜성]]이 되는데, 백색왜성은갈색왜성은 빛을 발하지 않기 때문에 관측하여 발견할 수 없다. 태양보다 훨씬 큰 항성의 경우 [[중성자별]]이나 [[블랙홀]]이 되는데, 이들 역시 광학적으로 발견할 수는 없다. (블랙홀의 경우 직접적으로는 관측이 불가능하지만, 매우 강한 중력으로 인하여 주변의 물질이 빨려 들어가면서 만들어내는 X-선을 관측하여 블랙홀의 존재를 알 수 있다.) 또한 은하와 은하 사이에 분포하는 성간 물질도 빛을 발하지 않는 경우가 있다. (특정 주파수의 전파를 발생하는 경우도 있으며, 이를 통해 성간 물질을 확인하기도 한다.) 우주를 통해 매우 많을 것으로 예상되는 [[중성미자]]와 같은 입자 역시 빛과 상호작용하지 않는 입자이다. 관측적으로 암흑 물질을 이해하는 데 있어서는 백색왜성이나 중성자별, 블랙홀과 같이 매우 무거운 존재들에 의한 영향은 배제할 수 있다. 이들 존재는 광학적으로는 관측이 불가능하지만, 일반 상대론에 의한 빛의 굴절 현상을 통해 간접적으로 존재의 확인이 가능하기 때문이다.
 
최근에는 주로 암흑 물질로 구성된 은하 또한 관측되었다. 이 은하는 지구로부터 5,000만 광년 떨어져 있고, 육안이나 일반망원경은 물론, 적외선이나 자외선 탐지기로도 관측되지 않는다. 영국·이탈리아·프랑스·호주 등 4개국 과학자들로 구성된 연구진은 우주에 떠도는 수소를 연구하던 중, 처녀자리에서 태양의 1억 배 질량을 가진 이 '수소 원자 덩어리'(암흑 물질)을 발견했다. 이 암흑 물질은 방사선을 내뿜고 있어 영국 체셔주와 푸에르토리코에 설치된 전파망원경을 통해 그 존재가 드러날 수 있었다. 연구진의 한 과학자는 "만약 보통의 은하였다면 매우 밝아서 아마추어 망원경으로도 관측되었을 것"이라고 말했다. 천문학자들은 현재 우주이론상 암흑 물질은 일반 물질보다 5배 이상 많기에, 이번 발견은 우주 연구에 상당히 중요한 계기가 될 것이라고 하였다<ref>[http://www.hani.co.kr/arti/science/science_general/209855.html "‘암흑물질’ 존재 결정적 증거 발견"], 《한겨레》, 2007.5.16.</ref>.
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