세종대학교(총장 엄종화) 물리천문학과 윤영섭(사진) 연구원이 페를린더(Erik Verlinde)가 제안한 새로운 중력이론을 이용해 관측으로 알려진 암흑물질의 중심 표면밀도를 이론적으로 예측했다. 이번 연구는 국제학술지 Physics of the Dark Universe에 지난 9월 20일 온라인으로 게재됐다.

1970년대 이후 은하의 회전속도는 암흑물질의 존재를 뒷받침하는 중요한 관측 증거로 여겨져 왔다. 은하 외곽의 별들은 눈에 보이는 물질에 뉴턴 중력이론을 적용해 예상되는 것보다 훨씬 빠르게 움직인다. 현대 천문학에서는 일반적으로 은하를 둘러싼 보이지 않는 암흑물질이 추가적인 중력을 만들어 이러한 현상을 일으키는 것으로 설명한다.

그러나 암흑물질 대신 중력이론 자체를 수정해 은하의 운동을 설명하려는 시도도 이어져 왔다. 1983년 밀그롬(Mordehai Milgrom)은 매우 약한 중력에서는 뉴턴의 중력이론이 수정될 가능성을 제시했으며, 2016년 페를린더 역시 암흑물질을 가정하지 않고 은하 규모의 중력 현상을 설명하기 위한 새로운 중력이론인 ‘창발중력(emergent gravity)’을 제안했다.

한편 기존 천문 관측에서는 밝기가 약 수십만 배나 차이 나는 다양한 은하에서도 은하를 둘러싸고 있는 암흑물질의 중심 밀도와 중심부 크기의 곱으로 정의되는 ‘중심 표면밀도’가 90~220 M⊙/pc²로 거의 일정하다는 흥미로운 사실이 알려져 있다. 이번 연구에서 윤 연구원은 페를린더의 중력이론을 적용해 암흑물질이 존재한다고 가정했을 때 추론되는 중심 표면밀도를 이론적으로 계산했으며, 170 M⊙/pc²라는 값을 얻었다.

특히 이번 연구에는 윤 연구원이 2024년 페를린더 중력이론의 세부적인 문제점을 지적하면서 제안한 새로운 관계식이 사용됐다. 페를린더의 중력이론에서는 뉴턴 중력과 달리 여러 질량이 만드는 중력 효과를 단순히 더하는 중첩원리를 그대로 적용할 수 없다. 윤 연구원은 이러한 문제를 보완하는 관계식을 제안했으며, 이번 연구에서는 이를 이용해 은하의 암흑물질 중심 표면밀도를 계산했다.

윤영섭 연구원은 “2024년 연구에서 페를린더 중력이론의 세부적인 문제점을 지적하고 이를 보완하는 관계식을 제안했는데, 이번 연구에서 그 관계식으로부터 실제 관측값과 일치하는 결과를 얻었다는 점이 뜻깊다”며 “암흑물질을 가정하지 않는 새로운 중력이론이 은하에서 관측되는 또 하나의 흥미로운 규칙성을 설명할 수 있음을 보였다”고 말했다.

이어 “지난 2023년 세종대 물리천문학과 채규현 교수가 장주기 쌍성 관측을 통해 매우 약한 중력 영역에서 뉴턴 중력이론의 예측에서 벗어나는 결과를 보고한 만큼, 이번 연구도 약한 중력 영역에서 기존 중력이론을 다시 검토하고 새로운 중력이론을 검증하는 연구에 기여하기를 기대한다”고 밝혔다.