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암흑류

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1. 개요

암흑류는 센타우루스자리와 바다뱀자리 방향으로 흐르는 은하단의 공통 운동으로, 표준 우주론 모델과 상반되는 현상이다. 알렉산더 카슐린스키 연구팀은 WMAP 데이터를 분석하여 이 흐름을 처음 발견했으며, 이 운동이 관측 가능한 우주 너머의 영향일 수 있다고 추정했다. 하지만, 연구 방법론에 대한 비판과 플랑크 위성의 관측 결과로 인해 암흑류의 존재에 대한 논쟁이 지속되고 있다.

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암흑류
개요
암흑류(Dark flow)우주론에서, 은하단이 우주 마이크로파 배경에 대해 갖는 특이 속도의 비-랜덤 성분을 가리키는 용어이다.
설명이러한 움직임은 관측 가능한 우주 너머의 물질에 의한 중력적 끌림 때문에 발생할 수 있다고 가정한다.
윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기 (WMAP) 데이터를 분석한 결과 이러한 움직임이 감지되었다는 주장이 제기되었지만, 그 존재와 기원에 대해서는 논쟁이 있다.
발견2008년, 알렉산더 카슐린스키가 이끄는 연구팀은 은하단의 특이 속도에 대한 연구를 통해 '암흑류'라는 현상을 발견했다고 발표했다.
이들은 은하단이 약 7억 5천만 파섹(24억 광년) 이상에 걸쳐 특정 방향으로 움직이는 것을 확인했다.
특성
비-랜덤 성분암흑류는 은하단의 특이 속도에서 무작위적인 움직임이 아닌, 일정한 방향으로 향하는 성분을 의미한다.
원인암흑류의 원인에 대해서는 여러 가설이 존재하지만, 아직 명확하게 밝혀진 바는 없다.
한 가지 가능성은 관측 가능한 우주 너머에 존재하는 거대한 질량 분포가 은하단에 중력적인 영향을 미쳐 이러한 흐름을 유발한다는 것이다.
논쟁 및 검증
존재 여부암흑류의 존재 여부에 대해서는 과학계에서 논쟁이 계속되고 있다.
추가 연구일부 연구에서는 WMAP 데이터를 통해 암흑류의 존재를 지지하는 증거를 발견했다고 주장하지만, 다른 연구에서는 통계적인 오류나 다른 요인에 의한 결과일 수 있다는 반론이 제기되고 있다.
플랑크 우주망원경 데이터를 이용한 연구에서도 암흑류의 존재에 대한 명확한 결론을 내리지 못하고 있다.
관련 용어
관련 현상암흑 에너지, 암흑 물질, 암흑 유체

2. 위치

근적외선으로 관측한 하늘 전체의 모습. 오른쪽 아래 긴 화살표는 직각자자리 은하단거대 인력체의 방향을 나타낸다.


암흑류는 센타우루스자리바다뱀자리(또는 고물자리) 방향으로 흐르는 것으로 관측된다.[6][25] 이 방향은 1973년에 처음 발견된 거대 인력체(Great Attractor)의 위치와 일치한다. 기존에는 거대 인력체의 중력 원인은 약 1억 5천만 ~ 2억 5천만 광년 거리에 있는 직각자자리 은하단(Norma Cluster)이라는 거대한 은하단으로 여겨졌다. 그러나 암흑류 연구는 이 중력의 실제 원인이 훨씬 더 먼 곳에 있으며, 거대 인력체 자체도 암흑류를 따라 같은 방향으로 이동하고 있을 가능성을 시사한다.[25]

알렉산더 카슬린스키(Alexander Kashlinsky)와 그의 연구팀은 2008년 연구를 확장하여 2010년 3월 새로운 결과를 발표했다. 이 연구에서는 WMAP의 5년간 관측 데이터를 사용하였고, 분석 대상 은하단의 수도 700개에서 두 배로 늘렸다. 연구팀은 은하단 목록을 거리에 따라 네 개의 그룹(슬라이스, slice)으로 나누어, 각 그룹 내 은하단들의 평균적인 이동 방향을 조사했다. 분석 결과, 각 그룹별 흐름의 방향과 크기에는 약간의 차이가 있었지만, 전반적으로는 놀라울 정도로 일관된 방향성을 보이는 것으로 나타났다.[6][25] 카슬린스키는 "우리는 이 축을 따라 움직임을 감지했지만, 현재 데이터만으로는 은하단들이 우리 쪽으로 오는지 아니면 멀어지는지 명확히 말하기는 어렵다"고 언급했다.[7]

'''암흑류의 관측 결과.''' 색깔 점들은 거리에 따라 구분된 네 그룹의 은하단을 나타내며, 붉은색에 가까울수록 더 멀리 있는 은하단이다. 각 색깔의 타원은 해당 그룹 은하단들의 평균적인 이동 방향(덩어리 운동)을 보여준다.


연구팀은 현재까지 약 25억 광년 거리까지 암흑류의 영향을 확인했으며, 앞으로 관측 범위를 현재의 두 배까지 확장하는 것을 목표로 하고 있다.

3. 주장과 발단



표준적인 우주론 모델에 따르면, 우주 마이크로파 배경 복사(CMB)를 기준으로 한 은하단의 운동 속도는 모든 방향으로 무작위하게 분포해야 한다. 그러나 2008년, 미국 항공우주국(NASA) 고다드 우주 비행 센터(GSFC)의 알렉산더 카슐린스키가 이끄는 천문학자 연구팀(F. Atrio-Barandela, D. Kocevski, H. Ebeling 포함)은 WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)의 3년간 관측 데이터와 운동학적 수냐예프-젤도비치 효과(kinematic Sunyaev-Zel'dovich effect)를 이용하여 은하단들의 운동을 분석했다. 그 결과, 켄타우루스자리와 고물자리 사이의 약 20도 폭 영역을 향해 은하단들이 초속 600–1000 km/s의 속도로 "놀랍도록 일관되게" 함께 움직이는 흐름, 즉 암흑류가 존재한다는 증거를 발견했다고 발표했다.[20] 이 연구 결과는 2008년 10월 20일 천체물리학 저널 레터스(Astrophysical Journal Letters)에 발표되었다.[22][23][24]

카슐린스키 연구팀은 이러한 거대한 규모의 일관된 운동이 우주 인플레이션 이전에 존재했던, 현재는 관측 가능한 우주의 경계 너머에 있어 직접 볼 수 없는 우주 구조의 영향일 수 있다고 주장했다. 빅뱅 이후 약 38만 년(우주 재결합 시기) 이전의 사건은 어떤 망원경으로도 관측할 수 없으며, 이는 약 460억 광년 거리에 있는 우주 광원 지평선에 해당한다. 이 가설에 따르면, 암흑류를 일으키는 원인은 이 지평선 너머에 존재하며, 이는 우리가 볼 수 없는 우주의 일부이지만 과거 우리의 광원뿔 안에는 있었던 영역이다.

카슐린스키는 이 발견에 대해 "현재로서는 이것이 무엇인지 이해할 만큼 충분한 정보가 없다. 우리가 확신을 가지고 말할 수 있는 것은, 이 세계에서 매우 멀리 떨어진 어딘가는 우리가 국소적으로 이해하고 있는 곳과는 매우 다르다는 것뿐이다. 그것이 다른 우주인지, 아니면 시공간의 다른 구조인지는 아직 알 수 없다"고 언급하며, 이 현상이 단순한 통계적 우연이 아님을 시사했다.[21]

암흑류가 흐르는 방향은 1973년에 처음 발견된 중력 이상 지역인 거대 인력체(Great Attractor)의 방향과 일치하는 것으로 분석되었다.[6][25] 기존에는 거대 인력체의 중력 원인이 약 1억 5천만에서 2억 5천만 광년 떨어진 노마 은하단(Norma Cluster)이라는 거대 은하단 때문인 것으로 생각되었다.[35] 하지만 암흑류의 발견은 이 인력의 원인이 실제로는 훨씬 더 멀리 있으며, 거대 인력체 자체도 암흑류를 따라 움직이고 있을 가능성을 시사한다.

2010년 3월, 카슐린스키 연구팀은 WMAP의 5년간 데이터를 사용하고 관측 대상 은하단을 기존 700개에서 두 배로 늘려 연구를 확장했다. 연구팀은 은하단 목록을 거리에 따라 네 개의 "구간"(slice)으로 나누어 각 구간 내 은하단들의 평균적인 운동 방향을 조사했다. 그 결과, 각 구간별 흐름의 방향과 크기에는 약간의 차이가 있었지만, 전반적으로는 놀라울 정도로 일치하는 경향을 보이며 초기 발견을 뒷받침했다.[6][25][35] 카슐린스키는 이에 대해 "우리는 이 축을 따라 움직임을 감지했지만, 현재 데이터로는 은하단이 우리 쪽으로 오고 있는지 아니면 멀어지고 있는지 명확히 말하기는 어렵다"고 덧붙였다.[7][36]

연구팀은 현재까지 약 25억 광년 거리까지 암흑류 현상을 확인했으며, 앞으로 현재 거리의 두 배까지 연구 범위를 확장하는 것을 목표로 하고 있다.

4. 비판과 반박

천체물리학자 에드워드 라이트(Edward L. Wright)는 암흑류 연구 방법론에 결함이 있다는 비판을 온라인에 게시했다.[37][8][26] 이에 암흑류 연구팀은 라이트의 주장을 반박하는 성명을 발표하며, 제기된 문제점들이 대체로 타당하지 않거나 연구 결과에 영향을 미치지 않는 사소한 기술적 사항이라고 주장했다.[38][9][27]

라이언 케이스러(Ryan Keisler)는 2009년 발표한 통계 연구 논문에서[39][10][28] 암흑류 연구팀이 우주 마이크로파 배경(CMB)의 비등방성을 충분히 고려하지 않았다고 지적하며, 암흑류가 기존에 알려진 물리 현상일 가능성을 배제할 수 없다고 비판했다.

2013년, 유럽 우주국(ESA)의 플랑크 위성 관측 데이터를 분석한 결과, 암흑류의 존재를 뒷받침하는 통계적으로 유의미한 증거를 찾지 못했다는 발표가 있었다.[42][43][13][14][19] 그러나 플랑크 협력 연구에 참여했던 페르난도 아트리오-바란델라 등 일부 연구자들은 플랑크 데이터가 이전 WMAP의 연구 결과와 일치한다고 주장하며 반박했다.[44][15]

일부에서는 암흑류 현상이 관측 가능한 우주 외부, 예를 들어 다른 우주와의 상호작용이나 아직 알려지지 않은 시공간 구조의 영향일 수 있다는 가설을 제기하기도 했다.[40][11][41][12] 특히 로라 메르시니-호튼은 플랑크 위성의 결과가 다중 우주의 존재를 뒷받침할 수 있다고 주장하여 대중 매체의 관심을 끌었다.[45][46][47][16][17]

5. 추가 연구 및 가설

알렉산더 카슐린스키를 중심으로 한 천문학자 그룹은 WMAP의 3년간 관측 데이터와 운동학적 수냐예프-젤도비치 효과를 분석하여, 켄타우루스자리와 고물자리 사이의 특정 영역을 향해 은하단들이 놀랍도록 일관된 600–1000 km/s의 속도로 공통 운동(플로우)을 한다는 증거를 발견했다고 발표했다[20]. 카슐린스키 등은 이 운동이 우주 인플레이션 이전에 존재했던, 현재는 관측 불가능한 우주 영역의 영향일 수 있다고 제안했다. 빅뱅 이후 약 38만 년(우주 재결합 시점) 이전의 사건은 관측할 수 없으며, 이는 약 460억 광년 거리의 우주 광원의 지평선에 해당한다. 이 가설에 따르면, 암흑류의 원인은 이 지평선 너머, 즉 관측 가능한 우주 바깥에 존재하지만 우리의 과거 광원뿔 안에는 있었던 무언가일 수 있다[21]. 카슐린스키는 "현재로서는 그것이 무엇인지 이해할 수 있을 만큼 충분한 정보를 가지고 있지 않다. 우리가 확신을 가지고 말할 수 있는 것은, 이 세계에서 매우 멀리 떨어진 어딘가는 우리가 국소적으로 이해하고 있는 곳과는 매우 다르다는 것뿐이다. 그것이 다른 우주인지, 아니면 시공간의 다른 구조인지는 아직 알 수 없다."라고 설명했다[11][21]. NASA의 고더드 우주 비행 센터 역시 암흑류 현상이 형제 우주 또는 관측 가능한 우주와는 근본적으로 다른 시공간 영역의 영향일 가능성을 언급했다[40].

로라 메르시니-호튼과 리치 홀먼은 암흑류 현상이 다른 우주와의 상호작용 결과이거나, CMB의 기준틀과 우주 팽창의 기준틀이 일치하지 않을 때 예측되는 비등방성의 일부일 수 있다는 가설을 제시했다[41][12].

그러나 암흑류 연구에 대한 비판도 존재한다. 천체물리학자 네드 라이트는 연구 방법론의 결함을 지적했으며[37][8], 라이언 케이스러는 통계 분석을 통해 연구팀이 CMB의 비등방성을 충분히 고려하지 않았다고 비판하며 암흑류가 알려진 물리 현상일 가능성을 배제하기 어렵다고 주장했다[39][10]. 연구팀은 이러한 비판들에 대해 반박하는 입장을 밝혔다[38][9].

2013년, 유럽 우주국(ESA)의 플랑크 위성 데이터 분석 결과, 암흑류의 존재를 뒷받침할 통계적으로 유의미한 증거가 발견되지 않았다는 발표가 있었다[42][13][43][14]. 하지만 플랑크 협력 연구의 일원이었던 페르난도 아트리오-바란델라 등 일부 학자들은 플랑크 데이터가 이전 WMAP 연구 결과와 일치한다고 주장하며 반론을 제기했다[44][15]. 대중 매체에서는 플랑크 결과가 다중 우주의 존재를 뒷받침한다는 메르시니-호튼의 주장에 주목하기도 했다[45][16][46][47].

6. 현재 상황 및 전망

알렉산더 카슐린스키 연구팀이 WMAP 데이터를 분석하여 발견했다고 주장한 암흑류 현상은 발표 이후 천문학계에서 활발한 논쟁의 대상이 되었다. 연구팀은 WMAP의 3년치 데이터 분석 결과를 발표한 이후, 5년치 데이터를 사용하고 분석 대상 은하단 수를 700개에서 두 배로 늘려 연구를 확장했다. 이들은 은하단을 거리별로 네 그룹으로 나누어 분석한 결과, 각 그룹에서 나타나는 흐름의 방향이 세부적으로는 차이가 있지만 전반적으로 놀라운 일치를 보인다고 주장했다.[6] 카슐린스키는 "우리는 이 축을 따라 움직임을 감지했지만, 현재 데이터로는 은하단이 오고 있는지 가고 있는지 원하는 만큼 강하게 말할 수 없다"고 언급하며[7], 연구 범위를 현재 관측된 25억 광년에서 그 두 배 거리까지 확장할 계획이라고 밝혔다.

그러나 이러한 주장에 대해 비판적인 견해도 제기되었다. 천체물리학자 네드 라이트는 연구 방법론 자체에 결함이 있다는 비판을 제기했고[8][26][37], 이에 대해 카슐린스키 연구팀은 라이트의 지적 대부분이 타당하지 않거나 사소한 오류에 불과하여 연구 결과의 본질적인 내용에는 영향을 미치지 않는다고 반박했다.[9][27][38] 또한, 라이언 케이스러는 통계적 분석을 통해 카슐린스키 연구팀이 우주 마이크로파 배경(CMB)의 비등방성을 충분히 고려하지 않았다고 지적하며 암흑류가 실제 물리 현상일 가능성에 의문을 제기했다.[10][28][39]

암흑류의 관측된 방향은 센타우루스자리바다뱀자리(또는 고물자리) 사이로[6][25], 이는 1973년 발견된 중력 이상 현상인 거대 인력체의 방향과 일치한다. 초기에는 거대 인력체의 원인이 약 1억 5천만 ~ 2억 5천만 광년 거리에 있는 노마 은하단 때문으로 여겨졌으나, 암흑류 연구는 인력의 원인이 더 멀리 있을 수 있으며 거대 인력체 자체도 이 흐름에 포함될 가능성을 시사한다.[25]

NASA의 고더드 우주 비행 센터는 암흑류 현상이 관측 가능한 우주 너머에 있는 다른 우주나 근본적으로 다른 시공간 구조의 영향일 수 있다는 가능성을 제시했다. 카슐린스키는 30억 광년 떨어진 은하단을 포함한 1,000개 이상의 은하단 분석 결과를 근거로, 이 흐름이 단순한 통계적 우연이 아니라고 주장하며 "현재 우리는 이 현상이 무엇인지 규명하기에는 가진 정보가 턱없이 부족하다. 다만 우리는 우리가 볼 수 없는 아주 멀리 떨어진 곳에 우리가 관측할 수 있는 것과는 매우 다른 무언가가 있을 것이라고 추측할 뿐이다. 이 무언가에는 '또 다른 우주'일 수도 있고, 우리가 알지 못하는 또 다른 시공간의 흔적일 수도 있다"고 말했다.[11][21][40] 로라 메르시니-호튼과 리치 홀먼 등 일부 이론물리학자들은 다른 우주와의 상호작용이나 CMB 기준 틀과 우주 팽창 기준 틀의 불일치 가능성을 통해 이러한 비등방성을 설명하려는 시도를 하고 있다.[12][41]

2013년, 유럽 우주국(ESA)의 플랑크 위성이 관측한 데이터를 분석한 결과, 암흑류의 존재를 뒷받침할 통계적으로 유의미한 증거를 찾지 못했다는 발표가 나왔다.[13][14][19][42][43] 하지만 플랑크 연구팀 소속이었던 페르난도 아트리오-바란델라 등 일부 학자들은 플랑크 데이터가 이전 WMAP 데이터 분석 결과와 모순되지 않는다고 주장하며 여전히 논쟁은 진행 중이다.[15][44] 특히 로라 메르시니-호튼은 플랑크 데이터가 오히려 다중 우주론을 지지할 수 있다고 주장하며 대중 매체의 주목을 받기도 했다.[16][17][45][46][47]

결론적으로 암흑류의 실체와 그 원인에 대한 논쟁은 현재진행형이다. 플랑크 위성 데이터를 포함한 추가적인 정밀 관측과 이론 연구를 통해 암흑류 현상에 대한 명확한 이해가 필요하며, 이 연구는 표준 우주론 모델을 검증하거나 수정하고 우주의 거대 구조 형성과 진화에 대한 새로운 통찰력을 제공할 잠재력을 가지고 있다.

참조

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[2] 논문 A measurement of large-scale peculiar velocities of clusters of galaxies: technical details http://www.nasa.gov/[...] 2010-07-15
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[4] 간행물 Galaxy Clusters Trace Huge Cosmic Flow http://www.ifa.hawai[...] University of Hawai`i (Ifa.hawaii.edu) 2008-09-24
[5] 논문 Probing the Dark Flow Signal in WMAP 9 -Year and Planck Cosmic Microwave Background Maps
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[8] 웹사이트 Archived item in Ned Wright's News of the Universe http://www.astro.ucl[...] Astro.ucla.edu 2008-09-24
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[13] 논문 Blow for 'dark flow' in Planck's new view of the cosmos https://www.newscien[...] 2013-04-03
[14] 논문 Planckintermediate results
[15] 논문 On the statistical significance of the bulk flow measured by the ''Plancksatellite''
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