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- 우주 물질의 76%는 은하계 간 공간에 숨겨져 있다
- 우주의 일반 물질의 약 9%만이 은하계 내에, 나머지 15%는 은하계 헤일로에 존재
- 고속 전파 폭발 덕분에 우주의 구조와 구성을 완전히 새로운 시각으로 보기 시작

우주의 "사라진" 물질 발견
우주 물질의 76%는 은하계 간 공간에 숨겨져 있다

미스터리 해결:
천문학자들은 빅뱅 이후 우주에서 "사라진" 물질의 위치를 ​​밝혀냈다. 이 물질은 별, 은하, 또는 가스 구름에서 발견되지 않는 원자다. 놀라운 결과는 우주의 일반 물질의 4분의 3은 우리 눈에 보이지 않으며 은하 사이의 텅 빈 공간에 숨겨져 있다. 연구팀은 "Nature Astronomy"에 발표한 논문에서 우주의 일반 물질의 약 9%만이 은하계 내에 존재하고, 나머지 15%는 은하계 헤일로에 존재한다고 보고했다. 

▲ 우주에 존재하는 일반 물질의 4분의 3은 천체나 은하에 존재하지 않고, 확산된 은하 간 매질에 존재한다는 사실이 지도 연구에 의해 밝혀졌다. © Jack Madden/ IllustrisTNG, Ralf Konietzka, Liam Connor/CfA

이는 천체물리학의 가장 큰 미스터리 중 하나다. 빅뱅 직후, 막대한 양의 물질 입자, 즉 바리온이 생성되었다. 그러나 천체, 은하, 그리고 성간 가스 구름에 존재하는 모든 물질을 합치면 이러한 바리온의 상당 부분이 사라진 것이다. 로마 천체물리학 천문대의 파브리지오 니카스트로는 "이 물질이 어딘가에 존재함을 알 수 있다. 초기 우주에서 관측했기 때문이다"고 설명했다.

은하 사이에 숨겨진 물질

이 "사라진" 물질의 위치는 오랫동안 불분명했다. 그러나 천문학자들은 이제 이 사라진 바리온이 은하 사이의 광활하고 겉보기에 비어 있는 공간에 숨겨져 있다는 것을 알고 있다. 이 은하 간 매질에는 사라진 물질을 담고 있는 확산 가스와 가스 필라멘트가 있다. 그러나 자유 공간에 숨겨진 이 물질은 매우 얇게 분포되어 있어 망원경으로는 볼 수 없다.

하버드 & 스미소니언 천체물리학 센터의 리엄 코너와 그의 동료들은 "이 확산되고 이온화된 가스는 측정하기 매우 어렵지만, 은하 형성, 천체물리학적 피드백, 그리고 우주론에 엄청난 중요성을 지닌다"고 설명했다.

측정 도구로서의 우주 전파 폭발

천문학자들은 이제 이 숨겨진 물질을 지도화할 수 있는 도구, 즉 고속 전파 폭발(FRB)을 발견했다. 초단파이지만 강력한 전파 폭발은 수십억 광년을 이동하며 광활한 은하계 간 공간을 통과한다. 물질 입자와 만나면 전파는 약간 산란된다. 주파수 스펙트럼은 프리즘이 햇빛을 여러 색깔로 분산시키는 것처럼 넓어진다. 이러한 분산의 정도는 천문학자들에게 이 전파 펄스가 얼마나 많은 물질과 부딪혔는지 알려준다.

코너와 그의 팀은 지도 제작을 위해 다양한 거리에서 발생한 69개의 고속 전파 폭발을 분석했다. 가장 가까운 전파 폭발은 약 1,170만 광년 떨어진 은하에서 발생했으며, 가장 먼 전파 폭발은 약 91억 광년을 이동하여 지구에 도달했다. 천문학자들은 이러한 우주 전파 폭발의 거리와 분산을 이용하여 은하계 내 중입자의 밀도와 양을 측정했다.

▲ 우주망의 은하와 유성체 사이의 공간은 텅 비어 있는 것처럼 보이지만, 그 안에는 "사라진" 물질이 있다. © Frank Summers/ Space Telescope Science Institute

4분의 3은 눈에 보이지 않는다.

결과적으로, 일반 물질의 가장 큰 부분은 별, 행성 또는 기타 고체 천체에서 발견되지 않는다. "우리의 분석에 따르면 우주에 존재하는 바리온의 90% 이상이 차가운 기체 상태이거나 이온화된 분산 상태로 존재한다"고 코너와 그의 동료들은 보고했다. 새로운 데이터에 따르면, 전체 물질의 약 9%만이 은하 내부에 존재한다. 15%는 가스가 풍부한 은하의 헤일로에 존재한다.

그러나 나머지, 즉 우주에 존재하는 모든 일반 물질의 76%는 은하 사이의 광활한 공간에 숨겨져 있다. 이 바리온은 은하계 곳곳에 분포되어 있다. 코너는 "수십 년 동안 바리온 실종 문제는 항상 이 물질이 어디에 있는지에 대한 의문이었다"며 "이제 고속 전파 폭발 덕분에 바리온의 4분의 3이 은하계 사이에 떠다니고 있다는 것을 알게 되었다"고 설명했다.

▲ 초단파, 고에너지 고속 전파 폭발(FRB)은 은하계 공간의 물질과 접촉하면 변형되므로 지도 작성 보조 도구로 적합하다.

"현대 천문학의 승리"

"이것은 현대 천문학의 승리다"고 캘리포니아 공과대학교의 공동 저자인 비크람 라비는 덧붙였다. "우리는 이제 고속 전파 폭발 덕분에 우주의 구조와 구성을 완전히 새로운 시각으로 보기 시작했다. 이러한 초단파 섬광 덕분에 은하 사이의 광활한 공간을 채우는 보이지 않는 물질까지도 감지할 수 있다." 이 새로운 발견은 이제 우주의 역사, 은하의 성장과 분포, 그리고 우주론의 다른 의문들을 밝히는 데 도움이 될 수 있다.

천문학자들은 이미 바리온 매핑을 더욱 확장할 계획이다. 네바다 사막에 계획된 2천 개의 5미터 길이의 개별 안테나로 구성된 전파 관측소가 이러한 노력에 도움이 될 것이다. 라비는 "DAS-2000과 같은 차세대 전파 망원경은 매년 수천 개의 고속 전파 폭발을 감지할 것이다"고 말했다.

참고: Nature Astronomy, 2025; doi: 10.1038/s41550-025-02566-y
출처: Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian, California Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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