빛을 반사, 방출, 흡수하지 않는 입자로 구성된 암흑물질은 우주 물질의 대부분을 차지할 것으로 예측된다.
물리학자들은 수십 년 동안 암흑 물질을 탐지하고 연구하기 위한 방법을 고안하려고 노력해 왔지만 암흑 물질의 본질은 여전히 드러나지 않고 있다. 펄서 타이밍 배열(Pulsar Timing Array, PTA) 실험은 은하계 밀리초 전파 펄서(즉, 규칙적인 밀리초 길이의 전파 펄스를 방출하는 천체) 집합의 타이밍을 조사하여 소위 초경량 암흑 물질 입자의 존재를 조사하려고 노력해 왔다.
특정 펄서를 관찰하기 위해 유럽 전역에 걸쳐 6개의 전파 망원경을 사용하고 있는 다양한 연구소에 기반을 둔 다국적 연구팀은 최근 그들이 수집한 두 번째 데이터 물결을 분석했다. Physical Review Letters에 게재된 그들의 논문은 은하계의 초경량 암흑물질 존재에 대해 더욱 엄격한 제약을 설정했다.
초경량 암흑물질은 천체 물리학 분야의 오랜 미스터리를 잠재적으로 해결할 수 있는 매우 가벼운 입자로 구성된 가상의 암흑물질 후보다.
논문의 공동 저자인 Clemente Smarra와 그의 동료들의 최근 연구는 유럽 펄서 타이밍 어레이(European Pulsar Timing Array, EPTA)가 수집한 데이터를 통해 우리 은하에 이러한 유형의 암흑 물질이 존재할 가능성을 조사하는 것을 목표로 했다.
Smarra는 “우리는 이 분야의 이전 노력에서 영감을 받았다”며 “우리 데이터 세트의 지속 시간이 길어지고 정밀도가 향상되어 우리 은하계의 초경량 암흑 물질 존재에 대해 더욱 엄격한 제한을 가할 수 있었다”고 말했다.
European Pulsar Timing Array의 최근 논문은 과거에 수행된 다른 연구와는 다른 가정을 하고 있다. 암흑 물질과 일반 물질 사이의 상호 작용을 조사하는 대신 이러한 상호 작용은 중력 효과를 통해서만 발생한다고 가정한다.
연구팀은 암흑물질이 중력 상호작용을 통해서만 일반 물질과 상호작용한다고 가정했다.
Smarra는 “이것은 상당히 설득력 있는 주장이다. 사실, 암흑 물질에 대해 우리가 알고 있는 유일한 확실한 사실은 암흑 물질이 중력적으로 상호 작용한다는 것이다. 간단히 말해서, 암흑 물질은 펄서 전파 빔이 이동하는 잠재적인 우물을 생성한다. 이 우물의 깊이는 펄서에서 지구까지 전파 빔이 이동하는 시간도 독특한 주기로 변한다”고 설명했다.
EPTA가 발표한 두 번째 데이터 물결에서 이 특별한 효과를 찾아 Smarra와 그의 동료들은 펄서 주변의 초경량 암흑 물질의 존재에 대한 새로운 제약을 설정할 수 있었다. EPTA는 유럽 전역의 여러 장소에 위치한 6개의 정교한 전파 망원경을 사용하여 거의 25년 동안 이 데이터를 수집해 왔다.
Smarra는 “우리의 분석을 바탕으로 특정 질량 범위의 초경량 입자가 암흑 물질 전체를 구성할 수 있다는 점을 배제할 수 있다. 따라서 만약 그들이 거기 있었다면 우리가 보는 것을 설명하기 위해 다른 것이 여전히 필요할 것이다. 그리고 이 결과는 우리가 확실히 아는 유일한 암흑 물질의 중력 상호 작용에 초점을 맞추었기 때문에 다소 강력하다”고 말했다.
EPTA 최근 연구에 따르면 질량이 10−24.0 eV≲m≲10−23.3 eV인 초경량 입자는 측정된 국부 암흑 물질 밀도의 100%를 구성할 수 없으며 기껏해야 국부 밀도 ρ≲0.3 GeV/cm3을 가질 수 있음을 보여준다. 이러한 새로운 제약 조건은 이 분야에 대한 추가 연구를 안내할 수 있으며 잠재적으로 이 파악하기 어려운 암흑 물질 후보에 대한 향후 검색에 정보를 제공할 수 있다.
Smarra는 “현재 펄서에 암흑 물질에 대해 더 많은 정보를 알려줄 수 있는 특징이 있는지 조사할 계획”이라며 “최근 우리가 관찰한 확률론적 중력파 배경에 대한 설득력 있는 설명으로 여겨지는 초대질량 블랙홀 쌍성계의 천체 물리학적 모델링에도 참여하고 싶다”고 덧붙였다.
