별 탄생의 비밀: 은하 충돌과 자기장의 역할

마치 찜통으로 크리스마스 푸딩을 찌듯이 별을 만드는 데 필요한 핵심 요소가 천문학자들에 의해 처음으로 발견되었습니다. 압력솥 뚜껑 위의 추가 압력을 유지하여 푸딩을 촉촉하고 밀도 높게 만드는 것처럼, 은하의 병합 과정에서도 별 형성에 이상적인 조건을 만들기 위해 자기장이 필요할 수 있습니다. 지금까지 이러한 힘의 존재는 이론적으로만 추정되었지만, 실제로 관측된 적은 없었습니다.

 

 

Arp220 중심부에서 발견된 자기장

임페리얼 칼리지의 천체 물리학자인 데이비드 클레멘츠 박사가 이끄는 국제 연구팀은 Arp220으로 알려진 두 은하의 병합 시스템 깊숙한 곳에서 수백 광년 크기의 가스와 먼지 원반과 관련된 자기장의 증거를 발견했습니다. 연구진은 이러한 영역이 상호 작용하는 은하의 중심부를 수많은 수소 가스를 어린 별로 만드는 데 핵심적인 역할을 할 수 있다고 말합니다. 이는 자기장이 병합하는 은하의 중심부에서 강렬한 별 형성이 과열되는 것을 막을 수 있기 때문입니다. 즉, 자기장이 일종의 '안전 장치' 역할을 하여 별 형성이 통제 불능 상태로 치솟는 것을 방지하는 것입니다.

 

 

자기장의 역할: 과열 방지

클레멘츠 박사는 별 형성에 있어서 자기장의 역할을 요리에 비유하여 설명했습니다. 마치 압력솥의 추가 내부 압력을 조절하여 내용물이 끓어 넘치는 것을 막는 것처럼, 자기장은 은하 중심부의 과도한 별 형성을 억제하는 역할을 합니다. 별 형성이 너무 격렬하게 일어나면 가스가 너무 뜨거워져 오히려 별 형성이 멈출 수 있는데, 자기장이 이러한 과열을 막아주는 것입니다. 이번 발견은 은하 병합의 중심부에서 자기장의 존재를 확인한 최초의 사례입니다.

 

향후 연구 방향

이번 연구는 중요한 발견이지만, 시작점에 불과합니다. 연구진은 앞으로 더 나은 모델을 개발하고 다른 은하 병합에서도 동일한 현상이 나타나는지 확인해야 합니다. 이번 연구 결과는 왕립 천문 학회 월간 보고서(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)에 발표되었습니다.

 

 

별 형성과 은하 병합의 비밀: 자기장의 역할

클레멘츠 박사는 짧은 시간 안에 많은 별(크리스마스 푸딩)을 만들려면 많은 가스(또는 재료)를 함께 압축해야 한다고 설명했습니다. 이것이 바로 은하 병합의 중심부에서 관찰되는 현상입니다. 하지만 어린 별(또는 조리기)에서 나오는 열이 증가함에 따라 내용물이 끓어 넘쳐 가스(또는 푸딩 반죽)가 흩어질 수 있습니다. 이러한 현상을 막기 위해서는 모든 것을 함께 붙잡아 줄 무언가, 즉 은하에서는 자기장, 압력솥에서는 뚜껑과 추가 필요합니다.

 

 

별 형성을 촉진하는 '마법의 재료'

천문학자들은 오랫동안 일부 은하가 정상보다 더 효율적으로 별을 형성하게 만드는 '마법의 재료'를 찾고 있었습니다. 은하 병합의 문제점 중 하나는 '별 폭발'이라고 알려진 현상에서 매우 빠르게 별을 형성할 수 있다는 것입니다. 이는 별 형성 속도와 은하 내 별의 질량 사이의 관계 측면에서 다른 별 형성 은하와 다르게 행동한다는 것을 의미합니다. 즉, 비 폭발 은하보다 가스를 별로 더 효율적으로 전환하는 것처럼 보입니다. 천문학자들은 왜 이런 일이 일어나는지 궁금해하고 있습니다.

 

자기장의 '결합력' 가설

한 가지 가능성은 자기장이 어린 뜨거운 별이나 거대한 별이 죽으면서 발생하는 초신성 폭발에 의해 가열될 때 가스가 팽창하고 소멸하려는 경향에 저항하면서 별 형성 가스를 더 오랫동안 함께 유지하는 추가적인 '결합력'으로 작용할 수 있다는 것입니다. 즉, 자기장이 일종의 '접착제' 역할을 하여 별 형성에 필요한 가스들을 한데 모아두는 역할을 한다는 것입니다. 이를 통해 별 형성이 더욱 효율적으로 진행될 수 있다는 가설입니다. 마치 푸딩 반죽이 끓어 넘치지 않도록 뚜껑이 눌러주는 것과 같은 이치입니다.

 

 

자기장의 역할: 효율적인 별 형성 촉진

결국 자기장은 은하 병합 과정에서 발생하는 급격한 별 형성을 조절하고, 가스가 흩어지는 것을 막아 더욱 효율적인 별 형성을 가능하게 하는 중요한 역할을 할 수 있다는 것이 이번 연구의 핵심 내용입니다. 이는 기존의 이론으로는 설명하기 어려웠던 은하 병합의 별 형성 효율성을 설명해 줄 수 있는 중요한 단서가 됩니다.

 

 

자기장의 존재, 관측으로 입증

기존의 이론 모델들은 이러한 현상을 제시해 왔지만, 이번 새로운 관측은 적어도 하나의 은하에서 자기장이 실제로 존재한다는 것을 처음으로 보여줍니다. 즉, 이론적인 가설이 실제 관측을 통해 입증된 것입니다.

 

 

하와이 마우나케아의 SMA를 활용한 관측

연구진은 하와이 마우나케아에 있는 서브밀리미터 배열(SMA)을 사용하여 초고광도 적외선 은하 Arp220의 깊숙한 곳을 탐사했습니다. SMA는 적외선과 전파 파장 사이의 경계에 있는 약 1밀리미터 파장의 빛 이미지를 촬영하도록 설계되었습니다. 이를 통해 초거대 질량 블랙홀, 별과 행성의 탄생 등 광범위한 천문 현상을 관측할 수 있는 창이 열립니다.

 

Arp220: 두 은하의 충돌과 별 폭발의 현장

Arp220은 외부 은하의 원적외선 하늘에서 가장 밝은 천체 중 하나이며, 가스가 풍부한 두 개의 나선 은하가 합쳐진 결과로, 합병된 핵 영역에서 별 폭발 활동을 촉발했습니다. 외부 은하의 원적외선 하늘은 멀리 떨어진 은하의 먼지 방출에서 통합된 빛으로 구성된 우주 배경 복사입니다. 모든 별빛의 약 절반이 원적외선 파장에서 방출됩니다.

 

 

향후 연구: ALMA를 활용한 추가 관측

연구팀의 다음 단계는 차가운 우주에서 분자 가스와 먼지를 관측하는 데 가장 강력한 망원경인 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 배열(ALMA)을 사용하여 다른 초고광도 적외선 은하에서 자기장을 찾는 것입니다. 이는 Arp220 다음으로 밝은 국부 초고광도 적외선 은하가 Arp220보다 4배 이상 어둡기 때문입니다. 즉, 더욱 정밀한 관측 장비가 필요한 것입니다.

 

 

자기장의 역할 규명에 대한 기대

이번 연구 결과와 추가 관측을 통해 연구진은 국부 우주에서 가장 밝은 은하 중 일부에서 자기장의 역할이 훨씬 더 명확해지기를 기대하고 있습니다. 즉, 이번 연구가 시작점이 되어 앞으로 더 많은 연구를 통해 은하 진화와 별 형성에 있어서 자기장이 가지는 중요성이 더욱 명확하게 밝혀질 것으로 예상됩니다.