제임스 웹 망원경이 눈에 보이지 않는 암흑 별 세 개를 밝혔다

밝혀진 3개의 암흑 별

최근 과학계에서는 "제임스 웹 우주 망원경이 초기 우주에만 존재했던 별에 대한 증거를 발견했다"라는 주장이 등장했습니다. 이상하고 파악하기 어려운 유형의 이 초기 은하 3개는 눈에 보이지 않는 암흑 물질이 유일한 연료원 중 하나였습니다. 새로운 연구에 따르면 제임스 웹 우주 망원경에 의해 은하로 식별된 최초의 천체 중 3개는 은하가 아니라 핵융합이 아닌 암흑 물질에 의해 구동되는 거대하고 매우 밝은 가상의 천체인 '암흑 별'인 것으로 나타났습니다.

 

해당 이론이 정확하다면 이는 과학자들이 우주의 가장 신비한 구성 요소인 암흑 물질을 더 잘 이해하는 데 분명한 도움이 될 수 있습니다. 오스틴에 있는 텍사스 대학의 천체 물리학자이자 이론의 주요 저자인 캐서린 프리즈는 "이것들은 암흑 물질에 의해 구동되는 원자 물질이며 하나의 초대질량 암흑 별은 일반적인 핵융합 동력 별을 포함하는 은하 전체만큼 밝을 수 있다"라고 말했습니다.

 

폭발적인 전멸

이론에 따르면 어두운 암흑 별은 오늘날 태양을 비롯해 우주에 존재하는 보통 별에 비해 엄청난 모습, 태양보다 수백 배 더 큰 너비를 가지고 있는 것으로 추정됩니다. 대부분 수소와 일부 헬륨으로 구성된 이 별들은 우주에 이 두 가지 요소가 포함돼 있을 때 원시은하에 존재했습니다. 더 무거운 원소는 별의 핵융합에 의해 만들어지지 않았으나 비밀 연료원인 암흑 물질은 별의 질량 중 약 1000분의 1을 구성하고 있습니다. 빛과 상호작용하지 않기 때문에 눈에 거의 보이지 않는 암흑 물질은 우주 물질의 약 85%를 차지하며, 두 개의 암흑 물질 입자가 충돌하면 서로 절멸해 결합된 질량을 에너지 감마선의 방사선 소나기로 바꿀 수 있습니다.

 

프리즈는 "암흑 물질이 자멸한다면 소멸 생성물은 암흑 별을 구성하는 이 수소 구름 안에 갇힐 수 있다. 암흑 물질의 질량을 이 구름에 버리는 것"이라고 설명했습니다. 이어 그는 "통상적인 별은 높은 온도에 의존하지만, 암흑 물질의 소멸은 어떠한 온도에서도 일어날 수 있다"라고 부연했습니다. 프리즈는 "암흑 물질 소멸은 온도에 상관이 없다. 따라서 암흑별의 폭 전체에 걸쳐 암흑 물질이 소멸된다. 그리고 표면 온도는 상대적으로 낮다. 그 때문에 더 많은 물질의 부착을 방해하는 이온화 광자나 기타 물질이 나오지 않는다"라고 덧붙였습니다.

 

만일 일반 별이 핵융합을 시작할 만큼 충분한 질량을 갖게 될 경우, 이와 대조적으로 별이 내뿜는 방사선은 주변의 가스 껍질을 밀어내며, 더 많은 물질이 축적돼 더 이상 성장하는 것을 방지합니다. 이에 대해 프리즈는 "어두운 별은 태양과 거의 같은 질량으로 시작될 수 있지만, 물체는 점점 더 많은 물질을 축적해 태양보다 백만 배 더 크고 밝기는 10억 배 더 커질 수 있음을 의미한다"라고 전했습니다.

 

어두운 별, 또는 고대 은하

거대한 크기를 감안할 때 암흑 별은 현대의 별처럼 점 모양의 물체가 아닌, 더 널리 퍼져 있는 물체로 나타날 것입니다. 제임스 웹 우주 망원경은 JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0, JADES-GS-z11-0이라는 세 가지 고대 물체를 발견했습니다. 당초 이 물체들은 은하로 잘못 식별됐고, 이들 암흑 별의 연대는 빅뱅 이후 3억2천만 년에서 4억2천만 년 사이로 거슬러 올라갑니다. 암흑 물질이 풍부한 원시은하들은 지속적으로 합쳐져 적절한 은하를 형성하고, 이 중심에 자리 잡고 있는 어두운 별은 결국 이로 인해 암흑 물질 연료로부터 멀어지게 됩니다. 그러나 암흑 물질 소멸 과정이 영원히 계속될 수는 없습니다.

 

프리즈는 "암흑 물질이 풍부한 중심에서 어두운 별이 옮겨짐에 따라 어두운 별은 붕괴되기 시작한다"라며 운을 뗐습니다. 프리즈는 "이것은 작은 별들의 핵융합을 촉발해 모두 붕괴하는 가스 구름에서 생성되는 일반적인 핵융합 동력 별을 생성하며 더 큰 별은 즉시 블랙홀로 붕괴된다"라고 설명을 보탰습니다. 프리즈는 "이것은 오늘날 우주에 어두운 별이 존재하지 않는다는 걸 의미한다"라면서도 "138억 년의 우주 역사에서 암흑 별이 정확히 언제 사라졌는지 찾아내기란 어렵다"라고 말했습니다.

 

과학계에서는 이러한 제임스 웹 우주 망원경 관측을 통해 암흑 별의 존재를 확인하는 게 엄청날 것이라는 기대감이 흘러나오고 있는 가운데, 프리즈는 아직 거기에 도달하지 못했다고 짚었습니다. 이를 확인하기 위해서는 이러한 암흑 별 후보들을 훨씬 더 오랫동안 관찰하거나 빛 방출을 더 잘 드러내는 확대 관찰을 기다려야 합니다. 프리즈는 "암흑 별에 대한 가설은 수년 동안 거기에 머물렀다. 이것이 옳다는 게 입증되는 건 나에게도 매우 흥미로울 것"이라고 이야기했습니다.