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- 우주의 전파 펄스는 불과 몇 밀리초(ms) 동안만 지속되지만, 우리 태양이 하루 종일 방출하는 에너지와 맞먹는 양을 방출
- FRB 20240209A 전파 폭발은 2024년 2월 캐나다의 CHIME 전파 망원경에 포착돼
- 전파 펄스는 약 20억 광년 떨어진 거대한 은하에서 온 것

죽은 은하에서 온 전파 폭발의 미스터리
새롭게 발견된 빠른 전파 폭발은 일반적인 형성 시나리오와 모순돼

천문학자들이 전례가 없을 뿐만 아니라 신비로운 우주 전파 폭발을 감지했다. 이 빠른 전파 폭발은 오래되고 거의 '죽은' 은하계에서 발생하기 때문이다. 수십억 년 동안 새로운 별이 거의 형성되지 않았기 때문에 전파 폭발의 원조로 여겨지는 마그네타도 존재하지 않는다. 그런데 FRB 20240209A라는 이름의 이 전파 폭발은 어떻게 발생했을까? 지금까지 천문학자들은 이에 대해 추측만 할 수 있었다. 하지만 그들은 일단 이렇게 추측한다. 

▲ 캐나다의 CHIME 전파 망원경이 특이한 근원지에서 나온 빠른 전파 폭발을 포착했다. © CHIME, Andre Renard/ 토론토 대학교

빠른 전파 폭발(FRB)은 천문학에서 가장 신비한 현상 중 하나다. 이러한 우주의 전파 펄스는 불과 몇 밀리초(ms) 동안만 지속되지만, 우리 태양이 하루 종일 방출하는 에너지와 맞먹는 양을 방출한다. 대부분은 일회성 사건이지만 일부는 연속적으로 발생하기도 한다. 도대체 그것은 어떻게 일어나는가? 지금까지 이는 매우 논란의 여지가 있다. 지금까지 가장 유력한 범인은 마그네타, 즉 매우 강한 자기장을 지닌 중성자별이다.

노스웨스턴 대학의 수석 저자인 타라네 에프테카리(Tarraneh Eftekhari)는 "빠른 전파 폭발은 핵붕괴 초신성에 의해 형성된 마그네타에서 발생한다는 것이 일반적인 이론이다"고 설명했다. 하지만 지금까지 감지된 600개가 넘는 전파 폭발 중에는 이 시나리오에 맞지 않는 것도 몇 개 있다.

"중량급" 배경을 가진 연쇄 범죄자

에프테카리 주변의 천문학자들은 이제 이러한 "이상치" 중 하나를 식별해 더욱 자세히 조사했다. FRB 20240209A로 명명된 이 전파 폭발은 2024년 2월 캐나다의 CHIME 전파 망원경에 의해 발견됐으며, 희귀한 유형의 "연쇄 범인"에 속한다. 2024년 7월까지 이미 22번이나 반복됐다. 이를 통해 연구팀은 이러한 전파 펄스의 출처를 더욱 정확하게 파악할 수 있었다. 그들은 CHIME 외에도 하와이 케크 천문대의 분광기를 사용했다.

이것이 보여주는 것은, FRB 20240209A의 전파 펄스는 약 20억 광년 떨어진 거대한 은하에서 온 것으로 밝혀졌다. "이 은하는 태양질량의 약 1000억 배에 달하는 별의 질량을 가지고 있다. 이것은 지금까지 발견된 가장 거대한 빠른 전파 폭발의 호스트 은하가 ​된다"고 에프테카리와 그의 팀은 보고했다. 비교를 하면, 우리 은하의 별들을 모두 합치면 태양질량의 약 600억 배에 달한다.

놀랍게도 오래되고 "죽은" 은하계

그러나 놀라운 점은 FRB 20240209A의 호스트 은하가 ​​크지만 오래되었고 대부분 죽었다는 것이다. 천문학자들은 그 안에서 별 형성이 더는 거의 일어나지 않는다는 것을 발견했다. 대부분 별은 110억 년 전에 형성됐다. 이 은하는 타원형에 속한다는 점이 적절하다. 이는 우주에서 가장 오래된 은하 형태 중 하나다. 연구자들은 "이것은 FRB 20240209A를 정지한 모 은하에서 반복되는 최초의 빠른 전파 폭발로 표시한다"고 보고했다.

▲ FRB 20240209A는 별 형성이 거의 없는 오래된 은하에서 나왔다. 다른 은하와 비교해보면 알 수 있듯이 빠른 전파 폭발의 경우 이는 드문 일이다. © Eftekhari et al./ The Astrophysical Journal Letters, CC-by 4.0

즉, 새로운 전파 폭발은 독특할 뿐만 아니라 이러한 전파 섬광의 원인에 대한 현재의 이론과도 모순된다. 이에 따르면, 전파 폭발은 거대한 별의 핵붕괴 초신성 폭발과 마그네타로의 변환으로 인해 발생한다. 그러나 문제는 그렇게 오래되고 거의 죽어 있는 은하계에서 수명이 짧은 거대한 별들은 모두 수십억 년 전에 타버리고 폭발했을 것이라는 점이다. 그렇다면 이 빠른 전파 폭발은 어디서 오는 것일까?

은하계 "변두리"에서 플래시

"이런 종류의 고대 환경은 우리로 하여금 FRB 형성에 대한 표준 모델을 재고하게 하고 더욱 신비로운 형성 경로를 고려하게 만든다. 흥미로운 일이죠." 노스웨스턴 대학교의 수석 저자인 웬파이 퐁이 말했다. 게다가 FRB 20240209A는 별이 풍부한 고밀도 은하 중심부가 아닌, 바깥쪽 가장자리에서 나왔다. 그 근원은 은하계 중심부로부터 약 13만 광년 떨어져 있다. 천문학자들은 이 역시 전례가 없는 일이라고 설명한다.

맥길 대학의 공동 저자인 비슈완기 샤는 "이것은 놀랍고도 흥미로운 일이다"고 말했다. "이 FRB가 호스트 은하에서 이렇게 멀리 떨어진 위치에 있다는 사실은 새로운 별이 형성되지 않는 지역에서 어떻게 이러한 고에너지 사건이 발생할 수 있는지에 대한 의문을 제기한다." 이는 이러한 은하 "변두리"에는 일반적으로 몇 개만 있기 때문이다. 별과 활동적인 별의 요람. 그런 전파 폭발이 어떻게 그곳에서 일어날 수 있었을까?

그 뒤에 구상 성단이 있나요?

이에 대한 가능한 답은 이전에 발견된 빠른 전파 폭발에서 제공된다. FRB 20200120E는 나선 은하 Messier 81의 별이 부족한 바깥쪽 가장자리에서 나왔으며, 약 1,200만 광년 떨어져 있다. "사실, 우리의 전파 폭발은 M81 사건의 쌍둥이일 수 있다"고 Fong은 말했다. 2022년 관측 결과, 이 전파 폭발 FRB 20200120E는 구상 성단에서 유래된 것으로 밝혀졌다. 흥미로운 점은 그렇게 오래되고 밀도가 높은 별들의 성단에서 마그네타가 초신성이 아닌 다른 방식으로 형성될 수 있다는 것이다.

구체적으로 이 시나리오는 다음과 같이 기술한다. 구상 성단에서 이웃하는 별의 잔해(예를 들어 백색 왜성)는 때때로 서로 매우 가까이 다가온다. 그들은 충돌하고 합쳐져서 마그네타를 형성할 수 있다. 소위 말하는 강착에 의한 붕괴도 상상할 수 있다. 이는 백색 왜성이 동반성으로부터 너무 많은 물질을 빨아들여 자신의 중력에 의해 붕괴되어 마그네타를 형성할 때 발생한다. 두 시나리오 모두 은하의 '변두리'에서도 전파 폭발이 어떻게 빨리 발생하는지 설명할 수 있다.

제임스웹 망원경은 더 많은 명확성을 가져올 수 있다.

하지만 이러한 대체 설명이 현재 조사 중인 전파 폭발에 적용되는지는 아직 불확실하다. 샤는 "FRB 20240209A 위치에 구상 성단이 있는지 확실히 알 수 없다"고 말했다. 하지만 천문학자들은 이미 제임스 웹 망원경의 관측 시간을 신청했다. 그들은 고해상도의 도움으로 구상 성단이 존재한다면 그것을 감지할 수 있기를 바라고 있다.

퐁은 "이 새로운 빠른 전파 폭발은 우리가 천체물리학 현상을 이해한다고 생각하는 순간 우주가 우리를 놀라게 한다는 것을 보여준다"며 "이것이 우리 연구 분야를 엄청나게 흥미진진하게 만드는 것이다"고 말했다. Eftekhari는 "빠른 전파 폭발에 대해 아직 발견해야 할 흥미로운 것들이 많이 있으며, 그 환경이 그 비밀을 푸는 열쇠를 가지고 있을 수 있다는 것은 분명한 것 같다"고 덧붙였다.

참고:
The Astrophysical Journal Letters, 2025; Preprint doi: 10.48550/arXiv.2410.23336)
출처: Astrophysical Journal Letters, Northwestern University

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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