3분 읽기
- 우주론의 표준 모형에 따르면, 우주는 약 95%가 암흑 물질과 암흑 에너지로 구성
- 나머지 약 5%는 소위 중입자 물질, 즉 별, 행성, 생명체를 구성하는 "정상적인" 물질
- 중입자 물질의 누락된 부분, 은하 사이 광활한 공간에 가스 필라멘트 형태로 숨겨져 있어
- 가스 필라멘트,주로 자유전자와 양성자로 구성, 섭씨 천만 도 이상, 1m당 약 10개 입자
- 주요 우주 모델에서 관찰한 결과와 정확히 일치

우주: 사라진 물질을 찾았을까?
가스 필라멘트에서 "사라진" 중입자 물질 발견

미스터리한 가스:
천문학자들이 오랫동안 찾아왔던 중입자 물질을 함유한 거대한 고온 가스 필라멘트를 발견했다. 이 필라멘트는 2천300만 광년이 넘는 길이에 1천만 도의 온도를 가지고 있으며, 네 개의 은하단을 연결한다. 이 가스 구조의 특성 또한 우주의 표준 모형과 일치하며, 이는 최초로 발견된 사례다. 

▲ 우주 가스 필라멘트는 이전에 발견되지 않았던 "정상" 물질을 실제로 숨기고 있는 것으로 보인다. © Illustris Collaboration

우주론의 표준 모형에 따르면, 우주는 약 95%가 암흑 물질과 암흑 에너지로 구성되어 있다. 그러나 지금까지 이 두 가지에 대한 직접적인 증거는 부족했다. 나머지 약 5%는 소위 중입자 물질, 즉 별, 행성, 생명체를 구성하는 "정상적인" 물질이다. 하지만 이 5%조차도 완전히 검출되지 않았다. 오늘날 우주에서는 중입자 물질의 3분의 1 이상이 "사라진" 것으로 보인다.

사라진 물질이 마침내 발견되었을까?

우주론적 시뮬레이션에 따르면 중입자 물질의 누락된 부분은 은하 사이의 광활한 공간에 뜨겁고 이온화된 가스 필라멘트 형태로 숨겨져 있다. 은하단 사이의 이러한 가스 필라멘트는 이전에도 관찰된 적이 있지만, 이러한 관측은 은하나 블랙홀과 같은 다른 복사원에 의해 오염된 경우가 많았다. 이로 인해 가스 필라멘트의 특성을 파악하기 어려웠다.

이제 라이덴 대학교의 콘스탄티노스 미그카스가 이끄는 연구팀은 가스 필라멘트에서 이러한 오염 물질을 정확하게 제거하고 분석하는 데 처음으로 성공했다. 뜨거운 가스의 실모양 구조는 약 6억 5천만 광년 떨어진 센타우루스자리에 있는 8천 개 이상의 은하로 구성된 섀플리 초은하단에 있다. 섀플리 초은하단에서 가스 필라멘트는 네 개의 은하단을 연결하는데, 한쪽 끝에 두 개, 다른 쪽 끝에 두 개가 있다.

▲ 발견된 가스 필라멘트는 네 개의 은하단을 연결한다. © ESA/XMM-Newton 및 ISAS/JAXA

망원경 협력

가스 필라멘트를 분리하고 분석하는 데는 여러 망원경의 협력이 필요했다. 미그카스와 그의 연구팀은 광학 망원경의 데이터를 이용하여 먼저 하늘에서 필라멘트의 방향을 파악했다. 그런 다음 일본의 스자쿠 X선 망원경을 사용하여 가스 구조에서 나오는 희미한 X선을 지도화했다.

그런 다음 연구팀은 유럽의 XMM-뉴턴 망원경의 데이터를 이용하여 필라멘트 내에서 오염을 유발하는 X선원(이 경우 초대질량 블랙홀)을 찾아내고 궁극적으로 데이터 세트에서 제거했다. 이를 통해 연구진은 우주 구조의 밀도와 온도를 결정할 때 필라멘트 내부의 가스만 관찰하고 다른 것은 관찰하지 않았음을 확인할 수 있었다.

결과:
연구진은 우주 가스 필라멘트가 주로 자유 전자와 양성자로 구성되어 있으며, 섭씨 천만 도 이상의 고온이고, 1m³당 약 10개의 입자가 존재하는 밀도를 가졌다고 보고했다. 이는 우주 평균보다 약 30~40배 더 높은 밀도다. 더욱이, 이 가스 필라멘트는 우리 은하 질량의 약 10배를 차지하며, 매우 얇게 분포된 뜨거운 가스 형태로 2,300만 광년 이상 뻗어 있다.

▲ 이 필라멘트는 뜨거운 은하 간 가스(그림에서 검은색과 노란색으로 표시)로 구성되어 있으며, 이는 천문학자들이 지금까지 발견하기 매우 어려웠던 "정상" 물질의 한 형태다. © ESA

우주 표준 모형 확인

이러한 최초의 상세한 특성 분석 외에도, 새로운 연구는 훨씬 더 근본적인 발견을 밝혀냈다. "이것은 우주 표준 모형을 확인하고 수십 년간의 시뮬레이션 결과를 검증한다. '사라진' 물질은 실제로 우주를 가로지르는 이해하기 어려운 실 안에 숨어 있는 것으로 보인다"고 이 연구에 참여하지 않은 XMM-뉴턴 망원경의 노르베르트 샤텔(Norbert Schartel)은 강조했다.

이전에는 천문학자들이 X선을 방출하는 블랙홀의 오염을 극복하기 위해 필라멘트 군집 관측 결과를 "겹치게" 분석하려고 시도했다. 그러나 이러한 겹치는 관측 결과는 표준 우주론 모형의 예측과 일치하지 않았다. 이제 새로운 방법을 통해서만 가능하다.

"처음으로 저희의 결과가 저희의 주요 우주 모델에서 관찰한 결과와 정확히 일치했다. 이전에는 전혀 없었던 일이죠"라고 미그카스는 말했다. "시뮬레이션이 처음부터 정확했던 것 같다." 무엇보다도, 가스 필라멘트는 이전 발견보다 밀도가 4배나 낮았다. 이는 시뮬레이션 예측의 전형적인 결과다.

우주 연결 망 추적

미그카스(Migkas)와 그의 팀은 이러한 방법들을 조합하여 미래에 우주의 유사한 위치에서 필라멘트와 그 특성을 탐색하는 데에도 도움이 될 수 있다고 생각한다. 이는 궁극적으로 우주의 가장 큰 구조들이 어떻게 연결되어 있는지 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것이다.

참고: Astronomy & Astrology, 2025; doi: 10.1051/0004-6361/202554944)
출처: 라인리셰 프리드리히 빌헬름스 본 대학교, 유럽우주국(ESA), 네덜란드 천문학 연구 학교(NOVA)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]