How We Could Solve the Dark Matter Mystery | Chanda Prescod-Weinstein | TED

번역: 성준 안 검토: DK Kim

When we look at the night sky,

밤하늘을 올려다보면 광활한 우주가 펼쳐집니다.

we see a vast cosmos

filled with stars and galaxies and dust,

별과 은하, 우주먼지들이

a cosmos teeming with luminous phenomena.

반짝이는 눈부신 광경이 가득하죠.

So we've all heard some version of that famous Carl Sagan line,

칼 세이건이 한 유명한 말이 있죠.

"We are made of star stuff."

“우리는 별의 잔해에서 태어났습니다.”

And it's true, we are.

실제로 그렇습니다.

And that makes it easy to believe that what matters is what's visible --

이 때문에 눈에 보이는 것만이 중요하다고 생각하기 쉽습니다.

us, the trees, the stars --

사람이라든가 나무, 별...

because it helps us feel connected to everything that we can see.

눈에 보이는 모든 것과 유대감을 느낄 수 있기 때문이죠.

Today, we know that everything visible in the universe

오늘날 눈에 보이는 우주의 모든 물질은

is composed from a basic set of building blocks

소립자라는 기본 입자로 이루어진 것을 알고 있습니다.

known as elementary particles.

We call this incredibly elegant picture

이 엄청나게 멋진 그림은

the standard model of particle physics,

소립자 물리학의 표준 모형이라 하며

and we understand it in great mathematical detail.

수학적으로 아주 상세하게 잘 알고 있습니다.

Comprehending the standard model is an enormous achievement.

완벽히 해석한 표준 모형은 엄청난 업적이 분명합니다.

But we are now certain that it describes very little of what's out there.

하지만 우주의 극히 일부밖에 설명하지 못한다는 점이 이제는 명확합니다.

It turns out that most of the stuff which fills our universe

우주를 이루는 대부분은

is completely invisible to us.

완전히 인간의 관측 범위 밖에 있다는 것이 밝혀졌습니다.

In other words, visible matter,

즉, 인간과 별을 이루는 물질과

the kind that we and the stars are made from,

빛을 내뿜는 등 눈에 보이는 물질은

the kind that radiates light,

is not what's normal.

일부에 불과합니다.

And we, the luminous matter,

우리처럼 눈에 보이는 물질은

we are the cosmic weirdos.

우주에서는 오히려 특이한 존재이죠.

So how do we know?

어떻게 아냐고요?

Well, consider this invisible nonbinary person,

보이지도 않고 남자도, 여자도 아닌 사람이

who's hiding in plain sight inside of their suit.

옷을 입어서 모습이 보이는 걸 상상해보세요.

We can't exactly see a person,

그 사람은 보이지는 않더라도

but we know that they're there, because the suit is filled out.

옷을 입고 자리를 차지하고 있으니 거기 있는 건 알 수 있습니다.

So the presence of the invisible enby

보이지 않는 존재의 영향으로

is governing how the suit hangs in space-time.

옷이 시공간에서 어떻게 보이는지가 정해지죠.

So we can see a similar effect with visible matter.

눈에 보이는 물질로 비슷한 추론을 할 수 있습니다.

We can see that stars and galaxies are affected

전혀 보이지 않고 더 많은 무언가에게

by the presence of something more,

something completely invisible to us.

별과 은하가 영향받는 것을 관측할 수 있습니다.

So we now know that the universe is more queer and fantastical

그래서 우리는 이제 우주가 맨눈에 보이는 것보다

than it looks to the naked eye.

기묘하고 기상천외함을 압니다.

(Cheers)

(환호)

(Laughter)

(웃음)

That's right.

맞습니다.

(Laughter and applause)

(웃음과 박수)

So how did the universe get this way,

어쨰서 우주는 이렇게 이루어졌고

and what exactly is inside?

정확히 어떤 물질로 이루어졌을까요?

So I'm a theoretical physicist

저는 입자 우주론 전공의 이론 물리학자입니다.

with expertise in particle cosmology.

And it's my job to use math

수학을 이용해서 시공간의 기원과 변화 등

to study the origin and evolution of space-time

and every single thing that's inside of it.

관련한 모든 연구를 맡고 있습니다.

I connect the very small -- elementary particles --

아주 작은 소립자와

with the extremely large -- galaxies and galaxy clusters,

엄청나게 거대한 은하와 은하단을 연결하는

and I'm a griot of the universe.

우주의 음유시인이라 할 수 있습니다.

I develop creative mathematical narratives

우리 우주의 기원일지도 모르는

that may just be our cosmic origin story.

창의적인 수학적 서사도 만들었죠.

Now as a theoretical physicist, I really love doing math

이론 물리학자라서 그런지 수학을 통해서

and coming up with different ideas

우주에 가득하지만 보이지 않는 물질이

that may describe our mostly invisible universe.

무엇인지 연구하는 게 즐겁습니다.

But it's important to be accountable to data too,

하지만 그렇다고 실측 자료를 소홀히 할 수 없습니다.

the real stuff.

So after mathematics,

수학 다음으로

my second favorite tool for addressing these large cosmological questions

우주의 거대한 의문을 연구할 때 좋아하는 도구는

is the biggest laboratory we know,

제가 아는 한 가장 큰 실험실인

the universe itself.

우주 자체입니다.

Observatories with capabilities from visible light

가시광선과 고 에너지 엑스선,

to high-energy X-ray and gamma-ray photons

감마선 광자 관측이 가능한 천문대는

are still some of the best ways to gain insight

보이지 않는 것들과 더불어

into what's going on in space-time, with the invisible stuff.

시공간을 연구하는 데에 최적이죠.

So what you're looking at here is the Vera C. Rubin Observatory,

지금 보시는 곳은 베라 루빈 천문대로

an exciting new facility

2년 뒤에 완공될 예정인 흥미로운 연구 시설입니다.

that's about to see its first light over the next two years.

It's a leading example of a new generation of telescopes

이곳은 보이지 않는 우주를 관측하는 방법을 바꿀

that are going to change the way we see this mostly invisible universe.

차세대 천체망원경의 선두 주자일 것입니다.

Now it's also the case that swarms of satellites

사진처럼 지상에서 관측하는 시설은

threaten images from ground-based facilities like this one.

인공위성들이 큰 방해가 됩니다.

But the Vera C. Rubin Observatory can help us understand

하지만 베라 루빈 천문대는

where the invisible stuff is and what it's doing,

보이지 않는 것들의 위치와 작용을 밝혀

which will help us determine what exactly it is.

정체를 규명하는 데 큰 도움이 될 것입니다.

So when it comes to the cosmic accounting,

아직은 우주에 대해 모르는 것이 너무나 많습니다.

here is what we know so far.

We're in the midst of a great cosmic drama,

우리는 시공간이 휘고 팽창하는

where space-time is curved and it’s expanding.

대 우주 서사시의 한복판에 서 있습니다.

And the history and future of that curvature and expansion

시공간 왜곡과 팽창의 과거와 미래는

is determined by what's inside,

그 안에 존재하는 것이 정합니다.

which is mostly not visible stuff like us --

대부분은 보이지 않고 인간 등 보이는 물질은 겨우 5%죠.

that's only about five percent.

The majority of the energy-matter content in the universe

우주의 에너지-물질 대부분은 암흑 에너지라는 것이 차지합니다.

is something that we call dark energy.

So empty space seems to have an energy associated with it.

우주의 빈 공간에는 암흑 에너지와 관련된 에너지가 있다고 봅니다.

And that's increasingly affecting how space-time expands.

암흑 에너지가 시공간 팽창에 미치는 영향은 점차 커지고 있습니다.

After dark energy,

암흑 에너지 다음으로

the second-largest ingredient is something that we call dark matter.

암흑 물질이라는 것이 두 번째로 큰 지분을 차지합니다.

So here's the funky thing about dark matter.

암흑 물질의 재밌는 점은

Unlike dark energy,

암흑 에너지와는 달리

it gravitates exactly like visible matter.

중력에 미치는 영향이 보이는 물질과 동일하다는 점입니다.

But it's completely unlike us in every other way.

그런데 그 이외에는 우리와 성질이 전혀 다르죠.

So you might be thinking,

암흑 물질이라는 이름 때문에

"OK, dark matter.

It clearly has a color associated with it."

검은색과 관련 있다고 오해할 수 있습니다.

It's dark, like my pants.

이 바지처럼요.

Right?

그렇죠?

But the first thing you should know about dark matter

하지만 암흑 물질은 색이 없다는 점을 우선 알아야 합니다.

is that it doesn't have a color,

and at least at first approximation,

최소한 초기 추정에서는

light seems to go right through it, so we can't see it.

빛이 암흑 물질을 통과하기 때문에 우리는 이를 볼 수 없습니다.

It's invisible, maybe transparent, maybe clear.

투명하거나 깨끗하거나, 어쨌든 보이지 않습니다.

So if you put out your hands

예를 들면 손을 내밀어

and think about the weight of having a clump of dark matter in your hands --

암흑 물질의 무게를 느낄 수는 있지만

that's how it would feel,

손 위에 아무것도 보이지 않을 겁니다.

but your hands would look exactly the same.

Today, we believe

오늘날 우주에서 중력에 영향받는 물질의 80%는

that 80 percent of the normally gravitating matter in the universe

is dark matter.

암흑 물질이라고 알고 있습니다.

Dark matter is dominant on the outskirts of galaxies,

암흑 물질은 은하 주변에 포진하고

and it affects stellar motions on the edges.

은하 가장자리에 있는 천체의 운동에 영향을 미칩니다.

This effect is actually how Vera C. Rubin and Kent Ford

이런 영향을 근거로 베라 루빈과 켄트 포드는

found the first substantive evidence for the existence of dark matter.

암흑 물질의 존재를 입증할 최초의 증거를 찾은 것이죠.

What you're looking at here

이 사진은 미술가가 우리 은하를 그린 것인데

is an artist's rendering of our own galaxy, the Milky Way,

and it's enveloped in a halo of dark matter,

암흑 물질이 우리 은하를 둘러싸고 있습니다.

represented here by a blue gas.

파란색 기체로 나타낸 부분입니다.

We believe that every single galaxy,

우리는 모든 은하, 또는 대부분의 은하가 이처럼

or almost every single galaxy,

lives inside of a dark matter halo.

암흑 물질로 된 헤일로에 싸여있다고 생각합니다.

And we think that they're not alone.

또한 은하들은 단독으로 있는 것이 아니라고 생각합니다.

The Milky Way itself has around 60 gravitationally bound satellite galaxies

우리 은하에는 위성 은하 약 60개가

중력으로 묶여 주변을 돌고 있습니다.

that are in its orbit.

Some of these, you may have seen when observing the night sky,

밤하늘에서 직접 보거나 들어본 것도 있을 것입니다.

or you may have heard of,

대마젤란성운이나 소마젤란성운 같은 것들이죠.

like the Large Magellanic Cloud and the Small Magellanic Cloud.

Each of these satellites

각각의 위성 은하는

lives inside of its own dark matter subhalo.

자신의 암흑 물질 헤일로에 싸여있죠.

So, like the invisible enby in their suit,

따라서 옷을 입은 투명 인간처럼

the presence of dark matter

암흑 물질이라는 존재가

is affecting how galaxies are distributed throughout space-time.

시공간에 걸쳐 은하에 영향을 미치는 것을 알 수 있습니다.

So we can also reverse-engineer where dark matter is --

그래서 암흑 물질의 분포를 역으로 파악할 수 있는데

it's represented here by the bluish purple.

사진에서 푸르스름하게 보입니다.

We can look at how images of galaxy clusters

은하단의 사진이 어떻게 왜곡되는지를 보고

are distorted, which tells us something

암흑물질이 시공간을 얼마나 왜곡하는지 짐작할 수 있습니다.

about how dark matter is distorting space-time.

So we know something about how much dark matter there is,

이런 식으로 암흑 물질이 얼마나 존재하고

and even how the dark matter is distributed,

어떻게 분포되어 있는지까지 알았습니다.

but what kind of particle is it?

그런데 이들의 구성 입자는 무엇일까요?

So all that we know

우리가 아는 것은 표준 모형으로는 설명할 수 없다는 것뿐이죠.

is that it's beyond standard-model physics.

It's not like any of the particles that we have ever seen

이제까지 보고 접촉해 본 입자와는 전혀 다른 무언가이죠.

or had any kind of contact with.

Alright, so this seems like a potentially terrifying,

이해하기 힘들고 조금 무서울 수도 있습니다.

intractable problem,

because we're talking about something that we can't see,

보지도 못하고 느끼지도 못하는 무언가를 다루고 있으니까요.

something that we can't touch.

You might be thinking,

이렇게 생각하실 수도 있습니다.

"OK, they haven't had many ideas about that over the years,

“몹시 어려운 문제니까 그동안 아무 소득이 없었겠지.”

because that just seems really hard."

Right?

그런가요?

So here's the Venn diagram to end all Venn diagrams.

모든 벤 다이어그램을 포괄하는 벤 다이어그램을 준비했습니다.

(Laughter)

(웃음)

[Theories of Dark Matter]

[암흑 물질 이론]

So I'll bet y'all a hundred dollars that you can't find a better one.

이보다 잘 설명할 수 없다는 데에 100달러 걸겠습니다.

At least according to me.

적어도 제 생각으론 그렇습니다.

(Laughter)

(웃음)

So Tim Tait created this diagram

이 다이어그램은 팀 테이트가

to help us visualize just some of the hypotheses

암흑 물질을 설명하기 위해 물리학자들이 지금까지 만든 이론들을

that physicists have had over the years to explain the dark matter problem

이해하기 쉽게 시각화한 것이고

and how these ideas overlap with each other.

이론들이 어떻게 서로 겹치는지 보여줍니다.

보시다시피 정말 복잡하죠?

So as you all can see, there's a lot happening here, right?

And hopefully, it's becoming increasingly clear

다행히도 암흑 물질 이론이

that this isn't just an astrophysics problem

은하와 은하단을 다루는 천체물리학의 문제일뿐 아니라

of galaxies and galaxy clusters,

입자 물리학의 문제이기도 하다는 점이

but this is also a particle physics problem.

명확해지고 있습니다.

In order to understand what's happening on the largest scales,

가장 큰 규모에서 일어나는 일을 이해하려면

we need to understand something very small,

아주 작은 것을 이해해야 합니다.

like a new particle,

새로운 입자라든가 원시 블랙홀 같은 것 말이죠.

or maybe primordial black holes.

So you've been looking at this for a moment,

그림을 잠깐 보셨을 텐데 아마 정말 궁금할 겁니다.

and you know what you're all really thinking is,

"What's Chanda's favorite dark matter candidate?"

“저 사람이 가장 좋아하는 이론은 뭘까?”

Right? This is what you're dying to know?

정말 궁금하죠?

So, I'll end the suspense by telling you ...

정답을 알려드리겠습니다.

that my favorite candidate is something called the axion.

저는 악시온이라는 이론이 가장 유력하다 생각합니다.

This is the hypothetical particle.

악시온은 가설로 존재하는 입자입니다.

And the first thing that I want to tell you about the axion

악시온에 대해 우선 알아야 할 것은 히글렛이라고 부를 뻔했다는 것입니다.

is that it was almost called the higglet ...

(Laughter)

(웃음)

누가 악시온이라고 정했는지 참 별로네요.

And whoever chose "the axion" just completely blew it, OK?

I'm pretty bummed about that.

정말 마음에 안 들어요.

But the axion is a compelling particle, because it's a twofer:

하여튼 악시온은 정말 중요한 입자인데 두 가지 역할을 하기 때문입니다.

it addresses a problem that we already had,

악시온은 우리가 이미 당면한 문제를 다루고 있습니다.

a conflict between theory and experiment

바로 쿼크 규모의 물리에서 생기는 이론과 실험의 간극이죠.

in the realm of quark physics.

"OK," you say, "but, like, how can I visualize it?"

하지만 어떻게 시각화할 수 있는 걸까요?

At this point in the talk, you should know better, right?

지금까지 강연을 들으셨다면 아시겠죠?

Because to first approximation, dark matter is invisible.

암흑 물질의 기본 가정이 눈에 보이지 않는다는 거잖아요.

(Laughter)

(웃음)

But I know you really want a visual,

그래도 보고 싶으신 거 같으니 보여드리겠습니다.

so I'm going to give you one.

Here's what it looks like to me, in my everyday work.

제가 평소에 보는 수식으로 표현하면 이렇습니다.

(Laughter)

(웃음)

(박수)

(Applause)

Which is to say, it's OK if this is unintuitive.

직관적이지 않더라도 뭐 어떠냐고 말하는 듯하죠.

(Laughter)

(웃음)

The universe is a wonderfully strange and fantastical place,

우주는 환상적으로 기묘하고 기상천외한 곳이고

and that's why humans as a species have always wanted to study it.

그래서 인간들이 호기심이 생겨 연구합니다.

And this is why we have so much fun, trying to understand it.

그래서 재밌고 알고 싶은 거 아니겠어요?

So how are we going to go looking for the axion

그러면 악시온이라든가 다른 암흑 물질을 어떻게 찾을까요?

or any other dark matter particle?

You might think that we have to use traditional particle physics approaches,

기존의 입자 물리학 연구 방법을 써야만 한다고 생각할 수 있습니다.

like colliders, where we smash particles together

입자 가속기에서 충돌시켜 무엇이 검출되는지 보는 거 같은 거죠.

and see what comes out.

But astrophysical signals have something to say.

하지만 천체물리학 신호에서 연구할 것이 있습니다.

Telescopes from across the electromagnetic spectrum --

전자기 영역 전반을 보는 망원경을 이용하는 겁니다.

for example, the proposed NASA facility,

예를 들면 나사가 운영할 스트로브-X 엑스선 우주 망원경에서

the STROBE-X X-ray space telescope --

can help us potentially determine what exactly dark matter is.

암흑 물질 규명에 도움을 얻을 수도 있죠.

But telescopes look at the very large.

하지만 망원경은 거대한 대상을 봅니다.

How can we use the extremely large to understand something so small?

어떻게 그렇게 거대한 것으로 이렇게 작은 입자를 알 수 있을까요?

Well, in the case of the axion,

일단 악시온의 경우에는

it helps to pay attention to its quantum classification.

양자의 분류를 신경 써야 합니다.

So all particles come in one of two quantum categories,

모든 입자는둘 중 하나에 속합니다.

fermions and bosons.

페르미온 아니면 보손이죠.

So fermions, even when things get cold,

페르미온은 온도가 낮아져도

like to keep their distance from each other.

입자 간 거리를 유지합니다.

사교적이지 못한데 원래 그렇죠.

They're antisocial.

That's how it is.

Bosons, on the other hand,

반면에 보손은 임계 온도 이하로 떨어지면

when they get below a critical temperature,

they're like five-year-olds on a soccer field,

축구장에 풀어 놓은 다섯 살배기 아이처럼 됩니다.

so they don't have a concept of formation,

형태라는 개념이 없어지고 무리를 지어 움직이죠.

they just bunch up together.

So in technical terms,

전문 용어로는 보스-아인슈타인 응축이라 하며

we call this the formation of a Bose-Einstein condensate,

where all the particles come together and act like one superparticle.

모든 입자가 하나로 뭉쳐서 초소립자처럼 작용합니다.

So importantly, axions are bosons,

여기서 중요한 점은, 악시온은 보손이라는 것이죠.

and so now you have a sense of why I like working with them.

이걸로 어째서 제가 악시온을 좋아하는지 설명이 됐겠죠.

악시온의 보스-아인슈타인 응축이라는 생각에 푹 빠져버렸습니다.

I'm completely enamored with the idea of axion Bose-Einstein condensates.

So usually, we talk about creating these quantum states in the lab,

보통은 실험실에서 원자 규모의 보스-아인슈타인 응축을 다루지만

using atoms,

but now,

이제는 암흑 물질로 일어나는 은하 규모의 보스-아인슈타인 응축이

we're talking about the possibility of new, maybe galaxy-scale

Bose-Einstein condensates made out of dark matter.

발생할 가능성을 다뤄볼까 합니다.

So what you're looking at here

이 영상은 제가 맡은 팀에서 만든 모의실험입니다.

is a simulation developed by a team that I lead.

It's an axion condensate orbiting a central mass.

중심 질량을 공전하는 악시온 응축입니다.

So it's like a subhalo orbiting its host galaxy.

주 은하를 둘러싼 암흑 물질과 같은 모습이죠.

Maybe the Large Magellanic Cloud orbiting the Milky Way.

우리 은하의 대마젤란성운도 이런 모습일지 모릅니다.

As you can see, over the age of the universe,

보시다시피, 시간이 지나면서

the subhalo starts to get to get torn apart,

작은 헤일로는 와해되기 시작합니다.

and what my team's work shows

제 팀에서 한 연구의 결과는

is that the way that this happens with axions

악시온이 작용하는 방식이

is different than with other dark matter candidates,

다른 암흑 물질과 다른 이유는

because it goes into this special condensate state.

악시온이 특수한 응축 상태로 접어들기 때문이라는 것입니다.

Now imagine the possibility

암흑 물질일 수 있는 물질이 한 가지 이상일 가능성을 생각해보면

that there's more than one type of dark matter candidate.

Maybe there's more than one type of dark matter particle?

암흑 물질의 입자도 한 가지 이상일 수 있지 않을까요?

How much richer this picture can be.

그렇다면 다이어그램은 얼마나 다양해질까요?

There's no cosmic rule that says there can only be one.

암흑 물질이 단 하나라는 법은 없죠.

So in the end,

정리하자면

I expect the universe to force us to reevaluate what we thought we knew.

우주 연구로 인간의 지식을 재평가해야 하리라 생각합니다.

[Making the invisible visible.]

[보이지 않는 것을 보이게]

우리가 딛는 땅과 올려다보는 하늘

When we honor the land and the sky ...

as our galactic relations ...

그리고 지구의 생물을 우주처럼 경외한다면

and their Indigenous stewards,

it becomes possible for us to imagine

서로 잘 지낼 수 있는 방법을 찾을 수 있을 것입니다.

new ways of being in good relations with each other.

That's why I, as a Black queer person,

제가 흑인 성소수자로서

am so proud to follow in the footsteps of my ancestors,

밤하늘과 자유를 연구하며 꿈꿨던

who studied and dreamed with the night sky,

선조의 발자취를 좇으며 자부심을 갖는 이유입니다.

sometimes of freedom.

Astronomers like Harriet Tubman,

따라서 최근 띄운 제임스 웹 우주망원경의 이름은

for whom the recently launched James Webb Space Telescope

해리엇 터브먼 같은 사람으로 바꿔야 마땅합니다.

should be renamed.

(Applause)

(박수)

I honor the gay NASA employees who were persecuted

우주망원경 이름의 유래인 제임스 웹에게 박해당했던

under the leadership of JWST's namesake,

나사의 동성애자 직원을 기립니다.

even as I share in the tremendous community-wide excitement

그 망원경이 암흑 물질에 대해 우리에게 알려줄 것에 대해

for what that facility is going to teach us about dark matter.

다른 모든 사람과 함께 환호하긴 하지만요

And I honor the memory of Vera C. Rubin,

또한 베라 C 루빈을 추억하고자 합니다.

the astronomer who first asked me,

어리숙하고 겁에 질린 대학원생에게 처음으로 질문을 해준 우주비행사였죠.

as a young, terrified graduate student,

"How do you think we should solve the dark matter problem?"

“암흑 물질 문제를 어떻게 해결할 수 있다고 생각하나요?“

We live in an amazing time to be doing dark matter research.

우리는 암흑 물질 연구를 하기에 놀라운 시대를 살아가고 있습니다.

Over the next decade,

10년 후에는

we're going to see the universe with incredible accuracy and clarity

이 천문대와 우주망원경으로

thanks to these new telescopes on the ground and in the sky.

엄청나게 정확하고 선명한 우주를 보겠죠.

We'll probably get some answers,

그렇게 되면 어느 정도 답을 얻을 수는 있겠지만

but we're going to get a host of new questions.

금방 새로운 의문이 많이 생길 것입니다.

And my team? We're going to be ready.

제 팀이요? 저희도 단단히 준비해야죠.

So the search for dark matter is on.

암흑 물질 연구는 계속되고 있습니다.

What's your favorite candidate?

여러분은 어느 이론이 유력해 보이나요?

(Laughter)

(웃음)

If it's not an axion, you better fix that.

악시온이 아니라고 생각한다면 직접 연구해보세요.

(Laughter)

(웃음)

Thank you.

감사합니다.

(Cheers and applause)

(환호와 박수)