별 탄생의 비밀, 우주 거대 클러스터에서 밝혀지다

거대한 은하단 중심부의 별 폭발 현상, 그 원인 규명

거대한 은하단 중심부가 예상보다 훨씬 많은 별을 생성하고 있는 현상이 관측되어 왔습니다. 최근 MIT 연구진을 비롯한 과학자들은 이 현상의 핵심 원인을 밝혀냈습니다.

 

 

피닉스 은하단 관측을 통한 실마리 발견

연구진은 NASA의 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 사용하여 지구로부터 약 58억 광년 떨어진 피닉스 은하단을 관측했습니다. 피닉스 은하단은 현재까지 관측된 가장 큰 규모의 은하단으로, 크기와 추정 나이를 고려했을 때 별 생성이 멈춘 "붉고 죽은" 상태일 것으로 예상되었습니다. 하지만 이전 관측에서 피닉스 은하단 중심부가 놀라울 정도로 밝게 빛나고, 중심 은하가 매우 활발한 속도로 별을 생성하고 있다는 사실이 밝혀지면서, 이처럼 빠른 별 형성을 어떻게 가능하게 하는지에 대한 의문이 제기되었습니다.

 

 

별 생성의 연료, 차가운 가스

젊은 은하에서 별을 만드는 "연료"는 매우 차갑고 밀도가 높은 성간 가스 구름 형태를 띱니다. 나이가 많은 피닉스 은하단의 경우 중심 은하가 별 생성에 필요한 극심한 가스 냉각 과정을 거칠 수 있는지, 아니면 차가운 가스가 다른 젊은 은하로부터 이동해 온 것인지 불분명했습니다.

 

따뜻한 가스의 발견

이번 연구에서 연구진은 JWST의 광범위한 적외선 측정 기능을 활용하여 은하단 중심부의 훨씬 더 선명한 모습을 얻었습니다. 처음으로 중심부 내 "따뜻한" 가스 영역을 지도화하는 데 성공했습니다. 이전에는 매우 뜨거운 가스와 매우 차가운 가스의 흔적이 관측되었지만, 그 중간 영역은 관측되지 않았습니다. 따뜻한 가스의 발견은 피닉스 은하단이 활발하게 냉각되고 있으며, 스스로 엄청난 양의 별 연료를 생성할 수 있음을 확인시켜 줍니다.

 

 

별 형성 과정의 완전한 모습 최초 관측

MIT 카블리 천체물리 및 우주 연구소의 물리학 대학원생이자 이번 연구의 주 저자인 마이클 리프는 "별 형성 과정에서 뜨겁고 따뜻하고 차가운 단계의 완전한 모습을 처음으로 관측했으며, 이는 어떤 은하에서도 관측된 적이 없다"고 말합니다. 그는 "우리가 볼 수 있는 모든 곳에 이 중간 가스의 후광이 존재한다"고 덧붙였습니다.

 

 

피닉스 은하단의 특이성, 연구 과제

공동 저자인 MIT 물리학 부교수 마이클 맥도날드는 "이제 질문은 왜 이 시스템인가?"라고 묻습니다. 그는 "이러한 거대한 별 폭발은 모든 은하단이 어느 시점에서 겪는 현상일 수 있지만, 우리는 현재 단 하나의 은하단에서만 이러한 현상이 일어나는 것을 보고 있다. 또 다른 가능성은 이 시스템에 특이한 점이 있다는 것이다. 피닉스는 다른 시스템이 가지 않는 경로를 택했을 수 있다. 이는 탐구할 가치가 있는 흥미로운 부분이다"라고 설명했습니다.

 

 

피닉스 은하단의 발견과 별 생성률

피닉스 은하단은 2010년 남극 망원경을 사용하여 천문학자들이 처음 발견했습니다. 이 은하단은 약 1,000개의 은하로 구성되어 있으며, 이름의 유래가 된 별자리인 피닉스자리에 위치합니다. 2년 후, 맥도날드가 여러 망원경을 사용하여 피닉스에 집중하는 연구를 주도했고, 은하단 중심 은하가 극도로 밝다는 사실을 발견했습니다. 예상치 못한 밝기는 별 형성의 맹렬한 활동 때문이었습니다. 그와 동료들은 이 중심 은하가 연간 약 1,000개의 별을 생성하는 놀라운 속도로 별을 만들어내고 있다고 추정했습니다.

 

 

피닉스 은하단의 별 생성률, 기존 은하단과 비교 불가

맥도날드는 "피닉스 이전에는 우주에서 가장 별을 많이 만드는 은하단이 연간 약 100개의 별을 생성했으며, 그조차도 특이한 경우였다. 일반적인 숫자는 1개 정도이다. 피닉스는 나머지 은하단들과는 정말 동떨어져 있다"고 말합니다.

 

피닉스 은하단 연구의 지속

그 발견 이후 과학자들은 비정상적으로 높은 별 생성률을 설명할 단서를 찾기 위해 때때로 이 은하단을 조사해 왔습니다. 그들은 약 100만 도의 초고온 가스 영역과 절대 영도보다 10도 높은 10켈빈의 극도로 차가운 가스 영역을 관측했습니다.

 

 

뜨거운 가스의 존재와 차가운 가스의 기원

매우 뜨거운 가스의 존재는 놀라운 일이 아닙니다. 대부분의 거대한 은하들은 젊든 늙든 중심부에 블랙홀을 품고 있으며, 이 블랙홀들은 은하의 수명 동안 은하의 가스와 먼지를 지속적으로 가열할 수 있는 극도로 강력한 입자 제트(jet)를 방출합니다. 이러한 뜨거운 가스 중 일부가 극적으로 냉각되어 별을 형성할 수 있는 초저온 상태가 되는 것은 은하의 초기 단계에서만 가능합니다. 극심한 냉각 단계를 훨씬 지난 피닉스 은하단 중심 은하의 경우 초저온 가스의 존재는 수수께끼였습니다.

 

 

차가운 가스의 기원에 대한 의문

맥도날드는 "질문은 이 차가운 가스가 어디에서 왔느냐는 것이다. 뜨거운 가스가 블랙홀이나 초신성 피드백 때문에 냉각될 것이라는 보장은 없다. 따라서 몇 가지 가능한 선택지가 있는데, 가장 간단한 것은 이 차가운 가스가 주변의 다른 은하들로부터 중심부로 던져졌다는 것이다. 또 다른 가능성은 이 가스가 어떻게든 중심부의 뜨거운 가스로부터 직접 냉각되고 있다는 것이다"라고 설명합니다.

 

 

따뜻한 가스의 탐색과 발견

새로운 연구에서 연구진은 핵심 가정을 세웠습니다. 만약 피닉스 은하단의 차갑고 별을 형성하는 가스가 주변 은하로부터 온 것이 아니라 중심 은하 내부에서 온 것이라면, 중심 은하는 뜨겁고 차가운 가스 덩어리뿐만 아니라 "따뜻한" 중간 단계의 가스도 가지고 있어야 합니다. 이러한 중간 가스를 감지하는 것은 가스가 극심한 냉각 과정에 있는 것을 포착하는 것과 같으며, 은하단 중심부가 실제로 차가운 별 연료의 근원지라는 증거가 될 것입니다. 이러한 추론에 따라 연구진은 피닉스 중심부 내에서 따뜻한 가스를 탐지하려고 노력했습니다. 그들은 10켈빈에서 100만 켈빈 사이의 가스를 찾았습니다. 58억 광년 떨어진 시스템에서 이러한 '적절한' 가스를 찾기 위해 연구진은 현재까지 어떤 관측소보다 더 멀리, 더 선명하게 관측할 수 있는 JWST를 주목했습니다.

 

따뜻한 가스 관측을 위한 JWST 활용

연구팀은 JWST의 중적외선 기기(MIRI)에 있는 중해상도 분광기(MRS)를 사용하여 적외선 스펙트럼의 빛을 매핑했습니다. 2023년 7월, 연구팀은 이 장비를 피닉스 중심부에 초점을 맞추고 12시간 분량의 적외선 이미지를 수집했습니다. 그들은 특정 이온 손실을 겪을 때 가스, 특히 네온 가스가 방출하는 특정 파장을 찾았습니다. 이 전이는 약 30만 켈빈, 즉 54만 화씨 온도에서 발생하며, 연구진이 탐지하고 매핑하려 했던 "따뜻한" 범위 내에 있는 온도입니다. 연구팀은 이미지를 분석하고 중심 은하 내에서 따뜻한 가스가 관측된 위치를 매핑했습니다.

 

 

따뜻한 가스의 발견과 별 생성 연료 공급

리프는 "이 30만 도의 가스는 특정 파장의 빛으로 빛나는 네온 사인과 같으며, 우리는 전체 시야에서 덩어리와 필라멘트를 볼 수 있었다. 어디에서나 볼 수 있었다"고 말합니다. 중심부의 따뜻한 가스의 범위를 바탕으로 연구팀은 중심 은하가 엄청난 정도의 극심한 냉각을 겪고 있으며, 매년 약 2만 개의 태양 질량에 해당하는 양의 초저온 가스를 생성하고 있다고 추정합니다. 그러한 종류의 별 연료 공급을 통해 연구팀은 중심 은하가 주변 은하의 연료를 사용하는 대신 자체적인 별 폭발을 생성하고 있을 가능성이 매우 높다고 말합니다.

 

 

별 폭발 원인 규명과 새로운 관측 방법 제시

맥도날드는 "우리는 무엇이 이 모든 별을 생성하는지에 대해 꽤 완전히 이해하고 있다고 생각한다. 왜인지는 이해하지 못한다. 하지만 이번 새로운 연구는 이러한 시스템을 관측하고 더 잘 이해할 수 있는 새로운 방법을 열었다"고 말합니다.