국내 연구진, 은하단의 떠돌이별 기원 밝혔다

연세대 연구진, 허블 우주망원경 관찰
은하 사이 떠도는 별들 기원 밝혀
은하단 형성 주류 이론 반박
암흑물질 연구에도 도움 기대

허블 우주 망원경으로 관측한 은하의 사진. 왼쪽은 85억광년(光年, 1광년은 빛이 1년 가는 거리로 약 9조4600억㎞) 떨어진 MOO1014 은하단, 오른쪽은 82억광년 떨어진 SPT2106 은하단의 모습이다. 오렌지 색의 천체들은 은하단을 구성하는 개별 은하이고, 푸른색이 떠돌이별의 빛이다. 연세대 연구진이 떠돌이별의 기원을 밝혔다./연세대

은하 사이를 떠돌아다니는 별들이 언제 생겼는지 국내 연구진이 새롭게 밝혀냈다. 이번 연구는 은하단의 형성 과정을 밝혔을 뿐 아니라, 우주의 미스터리 천체인 암흑물질을 연구하는 데에도 도움을 줄 것으로 기대된다.

연세대 천문우주학과 지명국 교수 연구진은 5일 국제 학술지 ‘네이처’에 “미 항공우주국(NASA·나사)의 허블 우주 망원경으로 초기 은하단에서 떠돌이별이 만들어내는 빛을 검출하고, 이를 통해 떠돌이별이 우주 초기에 다량으로 만들어졌음을 입증했다”고 밝혔다.

은하는 수천억개 별이 모인 집단이고, 은하단은 이런 은하 수백 수천 개가 중력에 서로 묶여 있는 것이다. 은하단에는 개별 은하에 속하지 않고 그 사이를 자유롭게 헤매는 ‘떠돌이별’들이 있다. 지금까지 떠돌이별은 은하단이 형성되기 전에 이미 독립적으로 존재했거나, 아니면 은하단이 생긴 후 나중에 마치 핀볼게임의 구슬처럼 은하에서 여기저기 튕기다 밖으로 나왔을 것이라는 이론이 있었다.

연구진은 떠돌이별의 기원을 찾기 위해 약 100억광년(光年, 1광년은 빛이 1년 가는 거리로 약 9조4600억㎞) 떨어진 은하단을 관찰했다. 지금 보는 은하단은 과거의 모습으로, 연구진은 약 100억년 전의 초기 은하단을 본 셈이다.

초기 은하단 10개를 관찰한 결과, 떠돌이별들의 밝기는 은하단 전체가 만들어내는 총 광량의 17%였다. 오늘날 가까운 은하단에서 측정한 비율과 유사하다. 떠돌이별들이 은하단 형성 초기에 한꺼번에 떨어져 나왔기 때문에 은하단의 나이에 상관없이 떠돌이별들의 밝기 비율이 같은 것이다.

지 교수는 “초기 은하는 크기가 작고 중력이 약하기 때문에 처음에 별들이 쉽게 떨어져 나왔을 수 있다”라며 “은하에 속했던 별들이 나중에 떨어져 나와 떠돌이별이 됐다는 주류 이론을 반박하는 결과”라고 설명했다.

왼쪽부터 지명국 연세대 천문우주학과 교수, 주형진 박사과정생

논문 제1저자인 주형진 박사과정생은 “은하단 내부에 있는 별들의 기원을 알아내면 전체 은하단의 역사를 이해하는 데 도움을 줄 수 있다”고 말했다. 연구진은 특히 떠돌이별이 은하단 안의 암흑물질을 추적하는 역할을 할 수 있다고 기대했다.

암흑물질은 우주 질량의 85%를 차지하지만 빛을 내지 않아 관측되지 않는 미스터리 천체이다. 21세기 천체물리학의 최대 난제로 꼽힌다. 연구진은 은하단의 떠돌이별들은 암흑물질의 중력에 영향을 받고 있을 것이므로 이를 통해 암흑물질의 분포까지 알 수 있다고 설명했다.

참고자료

Nature, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05396-4

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