페르미 망원경 15.5년 데이터에서 포착된 43.2GeV 감마선 신호

무엇이 관측됐나

중국 연구진은 NASA의 페르미 감마선 우주망원경에 탑재된 대면적 망원경(Fermi-LAT)의 공개 관측 자료 15.5년치를 이용해, 지구에서 비교적 가까운 거대 은하단 13곳의 감마선 스펙트럼을 함께 분석했다. 그 결과 약 43.2기가전자볼트(GeV) 부근에서 넓은 봉우리가 아닌 좁고 날카로운 ‘선(line)’ 형태의 초과 신호가 나타났다고 보고했다. 133

신호는 특히 암흑물질 소멸 신호가 강하게 나타날 것으로 예상되는 처녀자리(Virgo), 화로자리(Fornax), 뱀주인자리(Ophiuchus) 은하단 세 곳의 자료에서 두드러졌다. 이 세 은하단만 포함했을 때 검정통계량(TS)은 약 30이었고, 연구진이 제시한 전역 유의도는 약 **4.3시그마(σ)**였다. 316

다만 ‘4.3시그마’라는 수치가 곧바로 새로운 입자의 발견을 뜻하는 것은 아니다. 이는 특정한 통계 모델에서 신호가 우연한 요동만으로 설명되기 어려울 수 있음을 나타내는 지표이며, 다른 자료와 분석에서 같은 결과가 반복되는지가 별도로 확인돼야 한다.

왜 감마선 선이 WIMP의 ‘스모킹 건’인가

WIMP는 ‘약하게 상호작용하는 무거운 입자(Weakly Interacting Massive Particle)’라는 뜻으로, 암흑물질 후보 가운데 하나다. 이 가설에서 WIMP 두 개가 서로 만나 소멸하면서 광자 두 개를 직접 만들어낸다면, 두 광자는 거의 같은 에너지를 갖는다. 이때 감마선 에너지는 대체로 WIMP 질량과 관련된 특정 값에 모인다.

반면 블랙홀 주변이나 초신성 잔해 같은 일반적인 천체에서는 입자가 가속되면서 여러 에너지의 입자와 광자가 만들어지는 경우가 많다. 따라서 스펙트럼이 넓게 퍼지는 대신 특정 에너지에 날카로운 선이 나타난다면, 기존 천체물리 과정만으로는 설명하기 어려운 특성이 될 수 있다. 그래서 GeV에서 TeV 영역의 감마선 선은 암흑물질 소멸의 ‘스모킹 건’으로 자주 묘사된다. 11

아직 확정 검출이 아닌 이유

가장 큰 문제는 신호가 13개 은하단 전체에서 고르게 확인된 것이 아니라, 사실상 세 은하단의 자료에 크게 의존한다는 점이다. 암흑물질 신호라면 암흑물질 함량이 큰 더 많은 은하단에서도 비슷한 에너지와 상대적 세기로 나타나는지 확인할 필요가 있다.

과거 분석 결과도 일관되지만은 않았다. 페르미-LAT 7.1년 자료를 사용한 연구에서는 약 43GeV의 잠정적인 선 신호가 보고됐지만, 11.4년 자료를 이용한 후속 분석에서는 통계적으로 유의미한 선을 찾지 못했다. 특정 에너지 분산 이벤트 등급을 제외하면 초과 신호가 특히 약해지기도 했다. 810

이번 연구는 단순한 기기 이상으로 설명되는 가능성을 낮추는 여러 점검을 제시했지만, 그것만으로 알려지지 않은 검출기·분석 계통오차나 특이한 천체물리적 광원을 완전히 배제할 수는 없다. 따라서 현재 가장 정확한 표현은 ‘WIMP 암흑물질과 양립할 수 있는 유망한 감마선 선 후보’이지, 암흑물질의 확정 검출이 아니다. 3

과거의 다른 감마선 암흑물질 주장과는 어떻게 다른가

이번 결과는 감마선으로 암흑물질을 찾는다는 점에서 과거의 주장들과 문제의식이 이어지지만, 서로를 독립적으로 확인하는 관측은 아니다.

도쿄대학교의 도모나리 토타니 연구는 약 15년의 페르미-LAT 자료에서 우리은하 주변에 약 20GeV 에너지가 정점인 헤일로 형태의 초과 방출을 보고하고, 소멸하는 암흑물질과 양립할 가능성을 제시했다. 7 그러나 이 신호는 우리은하의 헤일로와 은하 중심 주변을 대상으로 한 것이며, 이번 연구의 약 43.2GeV 신호는 처녀자리·화로자리·뱀주인자리 은하단을 대상으로 한다. 에너지, 관측 영역, 전경 방출의 구성과 불확실성이 서로 다르다.

또 인공지능을 활용한 우리은하 중심 감마선 분석은 복잡한 중심부 방출이 미해결 점광원, 확산 과정, 또는 암흑물질과 비슷한 공간 분포 가운데 무엇으로 더 잘 설명되는지를 검토하는 연구다. 이 분석 역시 은하단에서 보고된 43.2GeV 선을 독립적으로 입증하는 결과는 아니다. 현재 자료만으로 이들 신호를 하나의 확정된 암흑물질 검출로 묶을 근거는 충분하지 않다.

결정적인 검증은 무엇인가

앞으로의 핵심 질문은 네 가지다.

• 페르미가 추가로 관측한 자료에서도 43GeV 부근의 선이 계속 나타나고 통계적 유의도가 높아지는가.
• 암흑물질 함량이 큰 다른 은하단에서도 비슷한 에너지와 상대적 세기의 신호가 발견되는가.
• 독립적인 이벤트 재구성, 배경 모델, 에너지 분산 처리에서도 결과가 유지되는가.
• 충분한 감도와 에너지 분해능을 갖춘 차세대 감마선 관측 장비가 같은 신호를 별도로 확인하는가.

페르미의 전천 탐사 자료는 공개돼 있어 독립 연구팀이 같은 자료를 재분석할 수 있다. 1 이런 재현 검증이 통과되고, 서로 다른 은하단과 장비에서 일관된 신호가 쌓여야 암흑물질 해석에 훨씬 큰 무게가 실릴 것이다.

얽힌 큐비트로 찾는 또 다른 암흑물질

한편 도쿄대학교와 연계된 별도의 제안은 WIMP처럼 무거운 입자의 소멸을 찾는 방식이 아니라, 초경량·파동형 암흑물질을 탐색하는 접근이다. 파동처럼 행동하는 암흑물질 장이 큐비트의 상태에 작은 전이 또는 위상 변화를 유도한다고 보고, 여러 큐비트를 얽힌 상태로 만들거나 고품질 공동(cavity)과 결합해 미세한 집단 신호를 키우는 방식이다. 51213

이 방법의 가장 어려운 과제는 양자 결맞음(coherence)을 유지하는 것이다. 많은 큐비트가 측정 시간 동안 계속 얽혀 있고 서로 같은 위상 관계를 유지해야 하는데, 외부 잡음과 열, 판독·제어 오류가 이를 빠르게 무너뜨릴 수 있다. 예상되는 감도 향상도 오류율이 충분히 낮다는 조건에서만 실현된다. 712

즉 감마선 천문학은 우주에서 날아온 특정 에너지의 흔적을 찾고, 큐비트 실험은 실험실에서 암흑물질 장이 남기는 미세한 양자 변화를 포착하려 한다. 두 접근 모두 흥미롭지만, 현재 단계에서는 ‘발견’보다 재현 가능한 증거를 확보하는 과정에 가깝다.