은하단 충돌과 암흑물질 미스테리

위 사진은 NASA의 챤드라-X 프로젝트에서 관측된 은하단-은하단 충돌의 모습입니다. 이름은 아벨 520 (Abell 520) 클러스터.

아벨520은 2005년 2월19일 챤드라-X의 x선 관측에 의해 포착되었으며, Mahdavi 등이 이끄는 연구팀에 의해 암흑물질을 포함한 은하단 충돌로 이해되었습니다. Mahdavi 등의 논문은 APJ에 2007년 발표되었군요.

위는 앞서 발견된 '총알모양 클러스터'(아래)와 아벨520 모습을 보다 쉽게 비교하기 위한 일러스트입니다. 아래쪽 박스 속의 그림은 암흑물질 최초의 직접 관측 결과로 지난번에 소개했던 '총알모양 클러스터(bullet cluster)'의 모습이고, 위쪽 그림은 2007년 8월에 발표된 아벨520 클러스터입니다.

사진에서 붉은 색으로 표시된 부분은 X-선에 잡힌 'hot gas', 파란색 부분은 중력 렌즈 효과를 통해 알아낸 암흑물질의 분포 그리고 노란색 점들은 은하들을 나타내고 있습니다. 거대한 규모의 은하단 충돌 현장이죠.

그림을 보시면서 은하단 충돌당시 암흑물질과 은하들은 거의 충돌없이 지나가버렸지만, 뜨거운 가스들은 충돌 덕분에 모양이 크게 변형되고 은하-암흑물질과 분리된 그 모습을 상상해 보세요. 특히 아래쪽 그림에서 총알 모양으로 변해 버린 오른쪽 충돌 가스의 모습은 그 충돌이 얼마나 격렬했는지 상상할 수 있게해줍니다. 이 사진 한장이 드디어 인류에게 그 정체를 드러낸 암흑물질의 모습이라고 생각하면 상당히 흥분됩니다.

그런데 아벨520은 총알-은하단과 미묘하게 다른 점이 있습니다.

1. 작은 동그라미 5번을 보세요. 여기에 있는 은하들은 암흑물질들과 분리되어 있군요.
2. 작은 동그라미 3번을 보세요. 그림에선 알기 힘들지만 이곳에 암흑물질들이 집중되어 있다고 합니다.

이것이 의미하는 바가 무엇일까요? 물질에서 암흑물질이 벗겨졌다?

과학자들은 이것이 암흑물질의 자기충돌 (self-interaction)의 결과라고 조심스레 생각하고 있습니다. 즉, 은하단-은하단 충돌 당시 크지는 않더라도 일정한 암흑물질-암흑물질 충돌이 일어났고 그 결과로 은하들로 부터 분리되어 나온 암흑물질이 따로 분포하는 부분이 생겨났다는 것이죠.

아직 이러한 설명이 완전한 것은 아닙니다. 아래쪽 총알모양 클러스터에서 보시듯, 그곳에서 암흑물질과 은하는 완벽하게 잘 뭉쳐져 있습니다. 이것이 '적어도 두 종류의 암흑물질'의 존재를 이야기 하고 있을 가능성도 있고, 아벨 520의 복잡한 모양이 암시하듯 보다 복잡한 동력학적 과정-예를 들어 멀티 충돌??-이 개입되었을 수도 있다고 봅니다.

흥미로운 사진입니다.

**더 읽어보기**
Abell 520:Dark Matter Mystery Deepens in Cosmic "Train Wreck", Chandra_X