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- 중력으로만 감지할 수 있는 이 보이지 않는 물질은 우주에서 중요한 역할
- 100억 광년 떨어져 있는 암흑 물질로 구성된 은하
- 암흑 헤일로의 전구체일 가능성 제기
- 이번 발견은 차가운 암흑 물질(CDM)의 우주론적 모델과 일치

천문학자들이 "암흑 천체"를 발견했다.
멀리 떨어진 우주에 있는 암흑 물질 덩어리의 질량은 태양 질량의 백만 배에 달한다.

미스터리한 천체:
천문학자들이 멀리 떨어진 우주에서 미스터리한 암흑 천체를 발견했다. 이 천체의 질량은 태양 질량의 약 백만 배이며, 약 100억 광년 떨어져 있다. 이 "암흑 덩어리"는 빛을 내지 않지만, 배경 빛에 대한 중력 효과를 통해 그 모습을 드러낸다. 연구원들은 이 암흑 물질로 구성된 은하, 즉 암흑 헤일로의 전구체일 가능성을 제기하고 있다. 

▲ 적외선 이미지(어두운 부분)와 전파 망원경 데이터(컬러)를 조합한 이 사진은 중력 렌즈 효과로 ​​인해 왜곡된 빛의 호를 보여준다. 그러나 오른쪽의 밝은 영역은 "어두운 물체"에 의해 왜곡되었다. © Keck/EVN/GBT/VLBA

아직 암흑 물질이 무엇으로 구성되어 있는지는 밝혀지지 않았지만, 중력으로만 감지할 수 있는 이 보이지 않는 물질은 우주에서 중요한 역할을 한다. 현재 이론에 따르면, 빅뱅 직후의 암흑 물질 분포가 은하와 은하단 분포의 기초를 형성했다. 더 나아가, 더 작은 암흑 물질 "덩어리"인 암흑 헤일로는 초기 우주에서 최초의 은하의 씨앗으로 여겨잔다.

그러나 지금까지 이러한 어두운 헤일로는 이론에 불과하며, 아직 확실하게 증명되지 않았다. 그 이유는 은하 크기만 하지만 수십억 광년 떨어져 있고 어떤 복사도 방출하지 않는 이러한 구조를 발견하는 것이 매우 어렵기 때문이다.

중력 호의 미묘한 교란

이제 새롭게 발견된 "어두운 천체"가 더 많은 통찰력을 제공할 수 있다. 막스 플랑크 천체물리학 연구소의 데본 파월이 이끄는 천문학자들은 미국의 초장기선 배열(VLBA)과 유럽의 초장기선 간섭계 네트워크(EVN)를 포함해 전 세계에 분산된 전파 관측소 네트워크를 사용하여 이 천체를 발견했다. 이 두 관측소를 연결하면 지구 크기의 가상 전파 망원경이 형성된다.

▲ 강력한 중력 렌즈 시스템 JVAS B1938+666. 출처: Published: 09 October 2025 / A million-solar-mass object detected at a cosmological distance using gravitational imaging / nature astronomy)

이 "초대형 ​망원경"에서 얻은 데이터에서 파월과 그의 연구팀은 중력 렌즈 역할을 하는 은하를 발견했다. 이 은하의 중력은 약 100억 광년 떨어진 배경 은하에서 오는 빛을 길고 긴 호로 왜곡한다. 그러나 주목할 만한 점은 "이미 첫 번째 고해상도 이미지에서 중력호가 좁아지는 것을 확인했다"는 것이다. 그로닝겐 대학교의 공동 저자인 존 맥킨은 이렇게 말했다. 왜곡된 전파 복사의 호는 이 지점에서 움푹 패이고 교란된 것처럼 보였다.

태양 질량 100만 배, 빛은 없다

이러한 교란의 원인을 찾기 위해 연구진은 방대한 양의 데이터를 정제하고 분석할 수 있는 특수 모델링 알고리즘을 개발했다. 이러한 분석 결과, 밝은 전파 호의 좁아짐은 지름이 약 260광년이고 질량이 약 태양 질량 100만 배인 천체에서 비롯된 것으로 밝혀졌다. 이 질량은 배경광을 추가로 왜곡시켜 밝은 전파 호의 좁아짐을 관찰하게 한다.

하지만 흥미로운 점은 이 미스터리한 천체가 자체적으로 전자기파를 방출하지 않는다는 것이다. 천문학자들의 설명에 따르면 이는 이 천체가 주로 암흑 물질로 구성되어 있음을 시사한다. 상대적으로 큰 질량과 먼 거리를 고려할 때, 연구팀은 이것이 오랫동안 찾아왔던 암흑 헤일로 중 하나일 가능성이 있다고 추측한다. 암흑 헤일로는 초기 우주에서 새로운 은하의 핵 역할을 했던 암흑 물질 덩어리다.

▲ 윗줄, 픽셀화된 소스 표면 밝기 지도. 없는 모델에서 소스 모델은 밝은 렌즈 호의 틈새를 채우려 시도하며, 이로 인해 렌즈 화선(왼쪽 열)을 따라 표면 밝기에 급격한 불연속성이 발생한다. ν의 중력 효과는 화선을 밝은 전파 로브 위로 접어 이 불연속성을 보정하고 매끄럽고 연속적인 이미지를 복원했다(오른쪽 열). 밝고 네 번 촬영된 소스 성분 주변의 삽입 영역은 한 변의 길이가 4밀리초(ms)다. 또한 밝은 성분의 북쪽으로 약 50ms 거리에 훨씬 희미하고 두 번 촬영된 소스 성분이 존재하는 것을 주목하시오. 가운데 줄, 렌즈 평면 표면 밝기 지도(점 확산 함수의 주 로브와 재합성곱). 호의 틈새는 ν 없는 모델에서도 여전히 존재한다. 이 경우 소스는 불연속성을 흡수하려고 시도했다. 아랫줄은 가시성 평면에서 정규화되고, 시각화의 용이성을 위해 이미지 평면으로 푸리에 변환된 나머지값이다. 를 포함하면 임계 곡선과 렌즈 호의 교차점 근처에서 잔차의 5σ 이상 피크(표면 밝기 2% 변화에 해당)가 보정됐다. 가운데 줄과 아랫줄의 확대된 영역은 그림의 삽입 영역과 동일하다. 출처: Published: 09 October 2025 / A million-solar-mass object detected at a cosmological distance using gravitational imaging / nature astronomy)

이것이 암흑 헤일로일까?

새롭게 발견된 암흑 천체의 정체는 아직 불분명하다. 파웰과 그의 동료들에 따르면, 이것이 암흑 헤일로라는 증거가 일부 있다고 한다. 파웰은 "측정 해상도를 고려할 때, 적어도 하나의 암흑 천체를 발견할 것으로 예상했다. 따라서 이번 발견은 차가운 암흑 물질(CDM: Cold Dark Material)의 우주론적 모델과 일치한다"고 말했다.

그러나 암흑 천체의 밀도 분포를 포함하여 암흑 헤일로라고 보기에는 적합하지 않은 특징들도 있다. 천문학자들은 현재 추가 데이터 분석을 통해 이 수수께끼의 암흑 천체의 정체를 더 잘 이해하기 위해 노력하고 있다. 동시에, 그들은 이와 같은 저질량 암흑 천체의 다른 사례들을 찾고 있다. "하나를 찾았으니, 이제 문제는 더 많은 별을 찾을 수 있을지, 그리고 그 숫자가 모델과 계속 일치하는지 여부다"고 파월은 말했다.

참고: Nature Astronomy, 2025; doi: 10.1038/s41550-025-02651-2
출처: 막스 플랑크 천체물리학 연구소, Nature Astronomy

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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