은하간 열원으로서의 암흑물질
Focus: Dark Matter as an Intergalactic Heat Source

퀘이사로부터의 스펙트럼은 은하간 가스가 암흑 광자라고 불리는 암흑 물질의 형태에 의해 가열되었을 가능성을 시사한다.

우주를 가로지르는 높은 밀도의 가스 구름은 멀리 떨어진 퀘이사의 빛을 흡수하여 퀘이사 스펙트럼에서 흡수선을 생성한다. 새로운 연구는 근처의 가스 구름에서 나오는 이 흡수선의 폭이 예측보다 더 큰 것은 암흑 광자라고 불리는 암흑 물질의 형태에서 기인할 수 있다는 것을 보여준다. 이 입자들은 가스 구름을 가열하여 흡수선을 넓힐 수 있다. 일반적인 열원에 기반한 확장에 대한 다른 설명도 제안되었지만, 암흑 광자 메커니즘이 작동한다면 우주 초기의 저밀도 구름에서 가열을 일으킬 수도 있다. 연구원들은 이미 이 예측을 시험할 계획을 세우고 있다.

멀리 떨어진 퀘이사의 스펙트럼을 볼 때, 천문학자들은 종종 가스 구름 사이에서 오는 흡수선을 관측한다. 가장 눈에 띄는 흡수선은 수소의 라이먼-알파선이다. 실제로 일부 퀘이사 스펙트럼에는 라이먼-알파선의 “숲”이 있는데, 각각은 우리 은하와 다른 거리(또는 다른 시대)에 있는 구름에서 온다. 선 모양의 폭, 깊이, 그리고 다른 세부 사항들을 조사함으로써, 연구원들은 구름의 밀도, 온도, 그리고 다른 특징들에 대한 정보를 추출할 수 있다. 이 정보는 은하와 다른 대규모 구조로 물질의 뭉침을 재현하려는 우주론적 시늉내기의 결과와 비교될 수 있다.

숲 데이터와 시늉내기 사이의 비교는 일반적으로 양호한 일치를 보여주었지만, 상대적으로 가까운 가스 구름에 대해서는 불일치가 나타난다. 관측 결과, 소위 낮은 적색편이 구름은 시늉내기에서 예측된 것보다 더 넓은 흡수선을 만든다. 스위스 CERN의 Andrea Caputo는 “이것은 암흑 광자라고 불리는 암흑 물질의 특정 후보를 나타내는 것일 수 있는데, 이 암흑 광자는 약간의 에너지를 주입하고 가스를 가열할 수 있으며, 이는 데이터와 더 잘 일치하도록 선을 약간 더 넓힌다.”라고 말한다.

이 에너지 주입이 어떻게 작동하는지 탐구하기 위해 Caputo와 그의 동료들은 암흑 광자로 우주 시늉내기를 실행했다. 암흑 광자 이론은 입자가 약간의 작은 확률로 자발적으로 정상 광자로 변할 수 있다고 가정하지만, 이러한 변환은 암흑 광자가 공명 조건을 만족하는 이온화 가스로 들어갈 때 강화될 수 있다. 이 조건은 암흑 광자의 질량에 의해 결정되는 특정 밀도를 가진 기체에 해당한다. 만약 은하간 구름이 이 밀도를 가지고 있다면, 공명 변환에 의해 생성된 일반 광자는 가스를 가열할 것이다.

Caputo는 구름의 밀도가 시간이 지남에 따라 변하기 때문에 일정 기간 동안만 공명 조건이 충족될 것이라고 강조한다. 붕괴되거나 소멸되는 암흑 물질과 같이 제안된 다른 유형의 암흑 물질이 항상 “켜질” 것으로 예상되기 때문에, 이러한 시간 의존적인 가열은 암흑 광자에만 독특하다. 그러나 연속 가열 모형은 우주 마이크로파 배경과 같은 다른 우주론적 관측에 의해 제약을 받는데 이는 설명할 수 없는 가열의 징후를 보이지 않는다.

Caputo와 동료들의 시늉내기는 약 10‒14 eV/c2(전자 질량보다 약 1019배 작은)의 극히 작은 질량을 가진 암흑 광자가 낮은 적색편이 라이먼-알파 구름에서 공명적으로 광자로 변환될 것임을 시사한다. 이 전환은 수소 원자당 5~7 eV의 에너지를 기체에 주입하는 것으로 관측 결과를 설명하기에 충분하다.

게다가, 연구팀은 암흑 광자 가열이 더 높은 적색편이에서 발생했을 수도 있지만, 과거에는 밀도가 더 높았던, 소위 밀도가 낮은 구름에서만 발생했을 수도 있다고 예측한다. 연구팀은 현재 이 예측된 가열이 높은 적색편이 구름의 관측과 일치하는지 알아보기 위해 시늉내기를 진행하고 있다.

그러나 이국적인 암흑 물질 물리학 모형은 라이먼-알파 데이터를 설명하기 위해 필요하지 않을 수도 있다고 미국 뉴저지 Rutgers University 천체 물리학자 Blakesley Burkhart는 말한다. 그녀는 암흑 광자가 흥미로운 가능성이지만, 연구원들은 아직 활동 은하핵으로 알려진 은하 중심의 초대질량 블랙홀 제트와 같은 더 전통적인 열원을 배제하지 않았다고 말한다.

네덜란드 University of Amsterdam의 우주론자인 Sam Witte는 암흑 광자 설명이 다른 시나리오보다 더 추측적이라는 것에 동의하지만, 그는 연구원들이 검증 가능한 예측으로 설득력 있는 주장을 했다고 생각한다. “미래의 연구가 기존 천체물리학 설명을 배제한다면, 우리가 암흑 물질의 최초 비중력 각인을 관찰할 가능성을 고려하는 것은 설득력이 있다.”라고 그는 말한다.

Comparison of Low-Redshift Lyman - Forest Observations to Hydrodynamical Simulations with Dark Photon Dark Matter, James S. Bolton, Andrea Caputo, Hongwan Liu, and Matteo Viel, Phys. Rev. Lett. 129, 211102 (2022), Published November 18, 2022.

잎 성장에 대한 등각 본뜨기 모형
Synopsis: A Conformal Map Model for Leaf Growth

물리학자들은 등각 본뜨기라고 불리는 수학적 변환이 나뭇잎이 어떻게 자라는지 예측하는 데 사용될 수 있다는 것을 보여주었다.

1917년 저서 “성장과 형태에 대하여”에서, D’Arcy Thompson은 생물학에서 수학의 사용을 개척했다. 이제 프랑스 Paris에 있는 École Normale Supérieure의 물리학자 Anna Dai와 Martine Ben Amar가 이 100년 된 책의 한 페이지를 가져왔다. 그들은 수학적 기법이 에너지 최소화의 물리적 원리에 의해 동기 부여가 잘 되어 있음을 증명한다.

생물학의 많은 성장 과정은 모든 물리 시스템과 마찬가지로 유기체가 에너지를 최소화하기를 원한다는 사실을 반영한다. 성장하는 유기체에 있어서, 그것은 내부 탄성 응력을 최소화하는 것을 의미한다.

그러나 이 에너지 최소화 성장 묘사는 Dai와 Ben Amar가 Thompson의 책에서 관찰한 수학적 묘사와 무관해 보인다. 어린 잎에 격자 무늬를 그려서 잎이 자라면서 격자 무늬가 일그러지는 것을 보는 것을 상상해 보자. 잎이 등각으로 자라면, 격자 선이 교차하는 각도는 변하지 않고 유지되는 반면, 선들은 늘어지고 구부러질 것이다. 언뜻 보기에 이 단순한 수학적 변환은 잎의 성장과 관련된 물리적 힘에 대해 우리에게 아무것도 말해주지 않는 것 같다.

그럼에도, Dai와 Ben Amar는 그것이 현재 작용하고 있는 복잡한 물리학의 두드러진 특징들을 요약 압축한다는 것을 발견했다. 몬스테라(Monstera deliciosa 혹은 “스위스 치즈 나무”)의 잎에 초점을 맞추어, 그들은 등각 본뜨기가 탄성 응력을 최소화하면서 잎의 성장을 재현한다는 것을 보여주었고, 수학적 변환에 물리적으로 좋은 동기를 부여했다. 지금까지, 연구원들은 분석을 2차원으로 수행했다; 다음으로, 그들은 3차원 잎의 성장을 묘사하기 위해 등각 본뜨기를 사용할 수 있는지를 탐구할 계획이다.

Minimizing the Elastic Energy of Growing Leaves by Conformal Mapping, Anna Dai and Martine Ben Amar, Phys. Rev. Lett. 129, 218101 (2022), Published November 16, 2022.

물질이 크리프 흐름을 받는 방법
Synopsis: How Materials Get the Creeps

연구자들은 커피 거품과 같은 무정형 고체에서 볼 수 있는 일종의 흐름인 크리프 흐름에 대한 포괄적인 이론을 개발했다.

고밀도 유화액, 발포체, 입상 물질을 포함한 비정질 고체는 공학과 산업 모두에서 중요하다. 이러한 물질들이 갑자기 가해지는, 일정한 응력을 받을 때, 물질들은 크리프 흐름으로 알려진 일시적인 현상을 나타낼 수 있다. 크리프 흐름은 광범위하게 연구되었지만, 이 효과에 대한 완전한 이론은 여전히 없다. 이러한 이론은 복잡계 물리학을 위한 독일 Max Planck Institute의 Marko Popović와 그의 동료들에 의해 고안되었다.

물질이 크리프 흐름을 겪을 때, 그 유속은 시간이 지남에 따라 거듭제곱법칙으로 감소한다. 이 거듭제곱법칙은 크리프 지수라고 불리는 양으로 특징지어진다. 크리프 흐름을 유도하는 응력이 낮으면 결국 물질의 움직임이 멈춘다. 그러나 이 응력이 충분히 높다면, 거듭제곱법칙 감소는 물질이 유체처럼 흐르기 시작하는 과정인 갑작스러운 유동화에 이어질 수 있다.

Popović와 그의 동료들이 제시한 이론은 크리프 지수와 갑작스러운 유동화가 일어나는 시간을 예측할 수 있을 뿐만 아니라 이 두 양의 온도 의존성도 예측할 수 있다. 이러한 예측은 연구원들이 수행한 수치 시늉내기와 이전에 발표된 실험 관찰과 일치한다.

이 새로운 이론의 핵심적인 특징은 크리프 흐름이 물질이 변형되는 동안 견딜 수 있는 최대 응력의 변화에 의해 좌우된다는 것이다. 이 이론의 단순성과 일반성을 고려할 때, 연구자들은 이것이 향후 비정질 고체의 역학에 대한 연구에 핵심적인 참고 자료를 제공할 것이라고 말한다.

Scaling Description of Creep Flow in Amorphous Solids, Marko Popović, Tom W. J. de Geus, Wencheng Ji, Alberto Rosso, and Matthieu Wyart, Phys. Rev. Lett. 129, 208001 (2022), Published November 9, 2022.