4분
- 55개 은하 영역에서 두 개의 후보 발견
- 가시광선으로 별빛이 비치지 않는 가스
- 조석 잔해의 가능성도 여전히 남아 있다.

FAST 망원경, 암흑 물질 헤일로일 가능성이 있는 별이 없는 수소 구름 두 개 발견

소용돌이 은하 M51 근처에서 발견된 두 개의 밀집된 중성 수소 구름은 지금까지 드물게 관측된 별이 거의 없는 암흑 물질 헤일로의 한 종류일 가능성이 있다. 이 구름들의 가스 질량, 선폭, 광학적 경계는 소위 RELHIC(Reionization-Limited H I Clouds)의 특징과 일치한다. 그러나 M51 시스템 내부의 강한 상호작용 때문에 이 구름들이 실제로는 조석력에 의해 방출된 물질인지는 아직 불분명하다. 

▲ FAST는 M51 근처에서 별이 없는 두 개의 작은 수소 구름을 발견했다. 이 구름들의 특성은 작은 암흑 물질 헤일로 내에 있는 별이 거의 없는 가스 헤일로인 RELHIC와 일치한다. © wikipedia.org / SCJiang CC BY-SA 4.0

중국 베이징. 표준 우주론 모델에서 암흑 물질 헤일로는 가스가 축적되고 은하가 형성될 수 있는 보이지 않는 틀을 형성하는 반면, 질량이 매우 작은 헤일로는 별을 거의 생성하지 못할 가능성이 높다. 이러한 헤일로의 가스는 우주 재이온화 이후에도 자외선 배경 복사에 의해 계속 가열되어 충분히 냉각되지 못한다.

이러한 이론적으로 예측된 ​​시스템을 재이온화 제한 수소 I 구름(Reionization-Limited H I Clouds, RELHICs)이라고 한다. 이러한 천체들은 천문학에서 H I 가스로 알려진 중성 원자 수소의 밀집된 핵을 포함하고 있으며, 좁은 내부 속도 범위만을 보여야 한다. 이들은 주로 21cm 파장의 수소 전파 방출을 통해 관측될 수 있다.

55개 은하 영역에서 두 개의 후보 발견

중국과학원 국립천문대(NAOC)의 칭제 첸(Qingze Chen) 연구팀은 M51 근처에서 이러한 후보 두 개를 발견했다. 연구팀은 FAST 확장 아틀라스 조사(FEASTS)에서 얻은 FAST의 심층 H I 데이터를 분석하고 총 55개의 은하 영역에서 밀집 가스원을 탐색했다.

연구진은 SoFiA 소프트웨어를 사용하여 먼저 H I원을 식별한 다음, DESI 레거시 이미징 조사(DESI Legacy Imaging Survey) 데이터와 위치를 비교했다. 가시광선으로 관측 가능한 대응 천체가 있거나 뚜렷하게 길쭉한 형태를 가진 후보들은 제외되었고, 그 결과 M51 영역에 있는 6개의 작은 H-I 구름 중에서 최종적으로 모든 선정 기준을 충족한 것은 S 구름과 N 구름뿐이었다.

▲ M51 주변의 H-I 분포. 노란색 원은 RELHIC 후보인 클라우드 N과 클라우드 S를 나타낸다. © © Astronomy & Astrophysics

가시광선으로 별빛이 비치지 않는 가스

두 구름은 M51 중심에서 약 70~90킬로파섹 떨어져 있다. S 구름은 약 400만 태양 질량의 중성 수소를, N 구름은 약 340만 태양 질량의 중성 수소를 포함하고 있으며, H-I 선은 각각 약 21.6km/s와 29.3km/s의 폭을 가지는 비교적 좁은 형태를 보인다.

심층 광학 이미지에서 연구진은 이 구름 위치에서 대응 천체를 발견하지 못했다. g 밴드에서 표면 밝기의 보수적인 추정 한계는 약 27.5등급/초다. 국부 왜소 위성에서 흔히 볼 수 있는 약 500파섹의 유효 반경을 가정할 때, 숨겨진 항성계의 광도는 분석 결과 태양 광도의 10만 배 미만일 가능성이 높다.

수소 분포 또한 RELHIC 모델 예측과 일치한다. 암흑 물질 헤일로의 정역학 모델을 통해 연구팀은 두 구름 모두에 대해 37억 ± 4억 태양 질량의 특징적인 헤일로 질량을 도출했습니다. 우주론적 TNG50 시뮬레이션에서 얻은 별이 없는 헤일로와의 비교를 통해 이 도출의 제한적인 정확도가 드러납니다. 이러한 방식으로 추정된 질량은 실제 헤일로 질량과 일반적으로 약 2배 정도의 차이만 보인다.

조석 잔해의 가능성도 여전히 남아 있다.

RELHIC 모델과의 일치는 구름 S와 구름 N을 흥미로운 후보로 만들지만, 아직 그 정체를 확정짓지는 못한다. M51은 상호작용이 매우 활발한 은하계이므로, 은하들 간의 중력적 충돌로 생성된 가스가 풍부한 조석 잔해가 그럴듯한 대안적 설명이 될 수 있다.

더욱이, FAST는 작은 구름들을 공간적으로 분해하여 관측할 수 없다. 특히, 구름 N은 현재 데이터로는 명확하게 해석할 수 없는 내부 속도 기울기를 가지고 있을 가능성이 있다. 따라서 고해상도 간섭계 전파 관측을 통해 이 구름들이 밀집된 중력적으로 결합된 헤일로인지, 아니면 M51계에서 방출된 가스인지를 밝혀낼 수 있을 것이다.

더 깊은 광학 관측 또한 매우 중요할 수 있다. 구름 영역 내에서 개별 별을 발견한다면, 거의 별이 없는 시스템이라는 기존의 해석을 바꿀 수 있기 때문이다. 더욱 민감한 탐색에서도 아무런 결과를 얻지 못한다면, 이 두 천체는 작은 암흑 물질 헤일로에서 은하 형성이 실제로 얼마나 깊이 억제되는지를 규명하는 데 매우 귀중한 시험 사례가 될 것이다.

출처:
원문 연구는 학술지 Astronomy & Astrophysics에 게재되었으며, doi: 10.1051/0004-6361/202661166입니다.

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]