별이 빛나지 않는 암흑 은하 포착 [우주를 보다]

[서울신문 나우뉴스]

클라우드-9와 주변 우주 이미지. SDSS 이미지와 클라우드-9을 중심으로 확대된 HiPERCAM 초심층 이미지를 함께 표시. 함께 보이는 별은 클라우드-9에 속하지 않는 별. arXiv (2026)

우리 은하에는 수천억 개의 별이 존재한다. 그리고 우리는 사실 매일 밤 그 사실을 눈으로 직접 확인할 수 있다. 밝은 불빛이 없고 날씨가 맑다면 밤하늘에서 은하수를 볼 수 있기 때문이다. 다만 우리가 대부분 밤에도 불빛이 많은 도시에 살고 있어 자주 보지 못할 뿐이다.

그런데 놀라운 사실 중 하나는 사실 은하 전체 질량에서 별이 차지하는 비중은 얼마 되지 않는다는 것이다. 은하 물질 가운데 상당량은 사실 희박한 밀도의 성간 가스이고 심지어 별, 행성, 성간 가스 같은 물질을 다 합쳐도 아직 정체를 모르는 암흑 물질의 5분의1도 되지 않는다.

암흑 물질은 과학자들도 정체를 모르는 미지의 물질로 은하계 물질의 80% 이상을 담당한다. 비록 그 정체는 모르지만, 만약 암흑 물질이 행사하는 중력이 없다면 현재의 은하계는 물론 은하단도 존재할 수 없기 때문에 과학자들은 그 존재를 확신하고 있다.

그런데 현대 우주론의 표준 모델인 ‘람다 차가운 암흑물질’ 모델에 따르면 우주에는 주로 암흑 물질로만 구성된 은하가 존재할 수 있다. 암흑 물질이 수소 가스를 끌어들여 은하 같은 덩어리를 만들지만, 수소 가스의 밀도가 낮아 별은 생성하지 못하는 것이다.

이런 은하는 ‘암흑 은하’ 또는 ‘별 없는 은하’”라고 하는데, 빛나는 별이 없어 실제로는 관측이 어렵다는 문제가 있다. 암흑 은하의 정의에 부합하기 위해서는 별이 거의 없어야 하는데, 그러면 망원경으로 포착이 어려워 실제로는 검증하기 힘들다는 딜레마에 놓이는 것이다. 더구나 어렵게 포착한 후보들도 진짜 별이 거의 없는지 아니면 단지 조금 적어서 관측이 어려운 것인지 검증하는 일이 만만치 않다.

하지만 그럼에도 과학자들은 유력한 후보 암흑 은하들을 찾아냈다. 카나리아 제도 천체물리학 연구소의 이그나시오 트루히요와 동료들은 세계 최대 광학 망원경 중 하나인 그란 텔레스코피오 카나리아스(GTC)의 HiPERCAM 장비를 이용해 그 후보 중 하나인 ‘클라우드-9’를 관측했다.

연구팀은 지난 6월 이틀 밤에 걸쳐 5개의 필터를 통해 클라우드-9를 관측했다. 현존하는 가장 강력한 관측 장비를 통해 집중 관측을 진행했음에도 불구하고 과학자들은 클라우드-9 중심부에서 별빛을 전혀 감지하지 못했다.

장치의 민감도를 고려할 때 연구팀은 4200광년 직경의 영역 내에 존재하는 별의 질량은 많아 봐야 최대 1만 6000태양 질량에 불과한 것으로 추정했다. 이는 설령 별이 존재한다고 가정하더라도 별보다 최소 60배나 많은 가스가 있는 수준이다. 따라서 사실상 가스와 암흑 물질이 대부분인 암흑 은하의 가장 유력한 후보인 셈이다.

암흑 은하는 표준 우주 모델에 대한 검증과 함께 현대 과학의 가장 큰 미스터리인 암흑 물질의 정체에 대한 단서를 제공할 수 있다는 점에서 중요한 연구 대상이다. 별이 빛나지 않지만, 오히려 그것 때문에 더 중요한 존재인 셈이다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com