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- 우리 은하의 주평면에서 약 1만 2천 광년 상공에서 11개의 거대한 수소 구름을 발견
- 여덟 개의 가스 구름은 지름 13~91광년, 최대 태양 질량의 1,470배의 중성 수소 포함
- 이 중성 수소 구름의 온도는 섭씨 약 1만도에 불과. 주변 환경보다 최소 100배 차갑다
- 이 차가운 구름들이 바깥쪽으로 시속 약 160만 킬로미터로 이동 중

은하수 중심부의 놀라운 발견
페르미 버블 속 놀랍도록 차가운 수소 구름, 천문학자들을 사로잡다.

화산 속 얼음 조각처럼:
우리 은하의 두 거대한 플라스마 버블 안에는 놀라운 무언가가 숨겨져 있다. 이 백만 도의 플라스마 안에는 놀라울 정도로 차가운 수소 구름이 여러 개 숨겨져 있다. 이 수소 구름들은 이전에 페르미 버블에서 관찰된 어떤 기체보다도 더 크고, 구조적이며, 차갑다. 이들이 어디에서 왔고, 왜 그렇게 오랫동안 존재했는지는 아직 미스터리로 남아 있다. 

▲ 우리 은하 중심에서 고에너지 복사와 뜨거운 플라스마로 이루어진 두 개의 거대한 거품이 솟아오른다. 천문학자들은 이제 그 안에서 놀라운 것들을 발견했다. © NASA 고다드 우주 비행 센터

은하수 중심부에는 거대한 구조물들이 은하 원반에서 우주 공간으로 돌출되어 있다. 가장 큰 것은 두 개의 페르미 버블로, 각각 지름이 2만 5천 광년이며, 고에너지 감마선과 X선으로 이루어진 버블이다. 이 버블 안에서는 약 섭씨 100만 도의 온도를 가진 플라스마가 엄청난 속도로 분출하며 수백 개의 작은 수소 구름을 함께 휩쓸어 간다.

원인 불명

페르미 기포와 관련 구조가 어떻게 생성되었는지는 아직 밝혀지지 않았다. "이 현상이 어떻게 발생했는지에 대한 여러 이론이 있지만, 우리는 이것이 갑작스럽고 폭발적인 사건이었음을 알고 있다"고 노스캐롤라이나 주립대학교의 주저자 롱몬 보르돌로이(Rongmon Bordoloi)는 설명한다. 가장 유력한 원인은 약 6백만 년-9백만 년 전 우리 은하 중심 블랙홀의 마지막 대규모 폭발이다.

더 자세히 알아보기 위해 보르돌로이와 그의 연구팀은 세계 최대 이동식 전파 망원경인 웨스트버지니아주 그린뱅크 망원경(GBT)을 이용하여 페르미 기포를 관측했다. 이 연구를 위해 그들은 들뜬 수소 방출이 발생하는 파장 범위인 21cm의 전파 방출을 포착했다. 천문학자들은 북쪽 페르미 기포에서 빠른 수소 구름이 얼마나 바깥쪽으로 뻗어 있는지 조사하고자 했다.

▲ 그린 뱅크 전파 망원경은 100 x 110미터 크기의 접시를 가지고 있으며, 세계에서 가장 큰 완전 관절형 전파 망원경이다. © NRAO/AUI/NSF

놀랍도록 크고 차가운 가스 구름

천문학자들은 놀라운 발견을 했다. 우리 은하의 주평면에서 약 1만 2천 광년 상공에서 11개의 거대한 수소 구름을 발견했다. "이 구름들은 페르미 기포에서 이전에 알려진 고속 구름의 분포 범위와는 상당히 다르다"고 보르돌로이와 그의 동료들은 보고했다. 은하수 중심에서 분출된 극한의 가스는 은하계 평면 너머로 이 가스를 운반했을 것이다.

하지만 새롭게 발견된 수소 구름은 다른 특성에서도 거대한 플라스마 기포의 알려진 구성 요소와 상당히 다르다. 이 구름들은 이전에 관찰된 이 거대한 분출 가스보다 더 크고, 더 구조화되어 있으며, 더 차갑다. "가장 눈에 띄는 여덟 개의 가스 구름은 지름이 13~91광년이며, 최대 태양 질량의 1,470배에 달하는 중성 수소를 포함하고 있다"고 보르돌로이와 그의 연구팀은 보고했다.

"화산 속의 얼음 조각과 같다.“

더욱 놀라운 것은 열한 개의 수소 구름의 온도다. 페르미 기포의 다른 가스 대부분은 최대 섭씨 100만 도까지 가열된다. "하지만 이 중성 수소 구름의 온도는 섭씨 약 1만도에 불과하다. 주변 환경보다 최소 100배는 차갑다"고 볼티모어 우주 망원경 과학 연구소의 공동 저자인 앤드류 폭스는 설명한다. "페르미 기포에서 이렇게 차가운 구름을 발견하는 것은 활화산에서 얼음 조각을 찾는 것과 같다.“

놀라운 것은 이 차가운 구름이 이처럼 극한의 환경에는 존재하지 않아야 한다는 것이다. 적어도 더 존재하지 않아야 한다. 페르미 기포의 강력하고 맹렬한 바람은 오래전에 이 구름을 파괴했어야 한다. 보르돌로이는 "컴퓨터 모델에 따르면 차가운 구름은 보통 수백만 년 안에 빠르게 파괴된다"며 "우주적 시간 척도로 보면 수백만 년은 눈 깜짝할 새에 불과하다"고 설명했다.

▲ 우리 은하 상부 페르미 버블에 있는 차가운 수소 구름의 위치. © NSF/AUI/NSF NRAO, P. Vosteen

해석은 아직 진행 중

천문학자들이 이 구름을 그렇게 멀리 떨어진 곳에서 발견했다는 것은 더욱 이례적이다. 천문학자들은 "은하 중심에서 분출된 이러한 구름의 생존 기간이 짧다는 점을 고려할 때, 은하 평면 상공의 높은 고도에 이러한 구름이 존재한다는 것은 놀라운 일이다"고 기술했다. 그러나 이는 이 차가운 구름들이 바깥쪽으로 뻗어 나가는 엄청난 속도와 일치한다. 연구팀은 이 구름들이 시속 약 160만 킬로미터로 이동한다는 것을 확인했다.

이 구름들이 어떻게 형성되었고 어떻게 현재 위치에 도달했는지는 아직 불분명하다. 천문학자들은 "한 가지 가능성은 이 수소가 주변의 뜨거운 플라즈마와의 상호작용을 통해 분열된 더 크고 원래 응집력이 있는 가스 구름의 잔해일 가능성이 있다"고 기술했다. 이 차가운 구름들이 최근에야 뜨거운 플라즈마에서 응축되었을 가능성도 있다.

어떤 시나리오가 맞는지는 아직 명확하지 않다. 하지만 이 차가운 가스 구름의 발견은 이미 우리 은하 중심부에 아직 여러 가지 놀라운 일들이 기다리고 있음을 보여준다. 그리고 우리 은하 중심부에서 일어나는 과정들은 아직 완전히 이해되지 않았다는 것을 알려준다.
참고: Astrophysical Journal Letters, 2025; doi: 10.3847/2041-8213/addd16
출처: Astrophysical Journal Letters, 노스캐롤라이나 주립대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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