Chandra 아카이브에서 발견된 84개의 미확인 저에너지 X선 천체

NASA의 Chandra X선 관측소 공개 아카이브 데이터를 뒤지던 천문학자들이 지금까지 목록화된 어떤 것과도 다르게 행동하는 84개의 천체를 발견했습니다. 이 천체들은 비정상적으로 낮은 에너지의 X선을 방출하는 동시에, 연구자들이 강렬한 자외선(ultraviolet radiation)일 것으로 추정하는 복사를 함께 내뿜습니다. 이러한 조합은 지금까지 하나의 부류로 문서화된 적이 없습니다. 이 발견은 University of Alabama의 Mustafa Muhibullah가 주도한 논문으로 Nature Astronomy에 발표되었습니다.

University of Alabama의 Jimmy Irwin과 Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian의 Rosanne Di Stefano도 참여한 이 연구팀은 여섯 개의 은하에서 이런 천체들을 찾았습니다. 그중 두 곳은 나선은하인 M31(안드로메다 은하)과 M101(바람개비 은하)이고, 나머지 네 곳은 타원은하입니다. 이 천체들은 별 형성이 활발한 영역과 나이 든 별들이 있는 영역 모두에서 발견되었으며, 연구자들은 이들의 X선 방출 에너지가 매우 낮다는 특징 때문에 이를 '하이퍼소프트 X선원(hypersoft X-ray sources)'이라고 이름 붙였습니다.

Muhibullah는 "우리는 이런 식으로 행동하는 천체 집단을 본 적이 없습니다"라고 말했습니다. "당연히 다음 단계는 이것들이 무엇인지 밝혀내는 것이었습니다." Scientific American의 보도에 따르면, 이 기저 신호는 1999년부터 2017년 사이에 수집된 Chandra 데이터 속에 이미 존재하고 있었지만, 망원경의 가장 낮은 에너지 채널에 속한다는 이유로 과학자들은 대체로 이를 잡음으로 치부해 왔습니다.

연구자들은 서로 다른 X선 에너지 대역에서 촬영된 Chandra 영상을 비교하는 방식으로 이 천체들을 찾아냈습니다. 각각의 하이퍼소프트 천체는 가장 낮은 에너지의 X선으로 만든 영상에서는 뚜렷이 나타났지만, 더 높은 에너지의 X선으로 만든 영상에서는 사라졌습니다. 이는 이 천체가 고에너지 X선보다 저에너지 X선을 훨씬 더 많이 방출한다는 뜻입니다. 저에너지 X선은 전자기 스펙트럼상에서 강한 자외선과 인접해 있기 때문에, 연구자들은 이 천체들이 다량의 강렬한 자외선도 함께 만들어내고 있을 것이라고 판단했습니다. 다만 자외선 방출 자체가 직접 관측된 것은 아닙니다.

이런 신호를 만들어내는 천체의 종류가 무엇인지는 아직 확정되지 않았습니다. 연구팀이 가장 유력하게 보는 가설은 쌍성계입니다. 블랙홀, 중성자별, 또는 백색왜성이 동반성으로부터 물질을 끌어당기고, 그 물질이 낙하하면서 가열되어 압축된 천체에 떨어지기 전에 X선을 방출한다는 것입니다. 이런 쌍성계는 이전에도 관측된 바 있지만, 이렇게 낮은 에너지의 X선이 이렇게 밝은 자외선과 짝을 이루는 경우는 없었다고 Muhibullah와 Irwin은 말합니다. Scientific American에서 각각 인용된 Di Stefano와 Irwin 모두, '하이퍼소프트'라는 표현이 애초에 하나의 천체 유형을 가리키는 것이 아닐 수 있다고 강조했습니다. Irwin은 이 천체들이 "아마도 서로 다른 종류의 천체들이 뒤섞인 이질적인 집단"일 것이라며, 하이퍼소프트라는 이름표는 단일한 물리적 부류가 아니라 에너지 신호의 특징을 가리키는 것이라고 설명했습니다.

이 천체들이 그토록 오랫동안 발견되지 않은 이유는 두 가지 문제로 귀결됩니다. 첫째, 저에너지 X선은 애초에 X선 망원경이 검출하기 어렵습니다. 둘째, 연구자들에 따르면 이 천체들이 만들어낼 것으로 추정되는 더 강한 자외선은 별과 별 사이 공간을 채우고 있는 수소와 헬륨 기체에 대부분 흡수되며, 연구자 중 한 명은 이를 거의 뚫을 수 없는 장벽이라고 표현했습니다. Di Stefano는 "Chandra 아카이브를 샅샅이 훑음으로써, 우리는 그동안 망원경들의 사각지대였던 부분을 제거할 수 있었습니다"라고 말했습니다.

연구팀은 이 천체들이 천체물리학의 서로 다른 두 가지 미해결 질문과 관련될 수 있다고 제안합니다. 첫 번째는 Ia형 초신성(Type Ia supernovae)에 관한 것입니다. 이는 백색왜성이 동반성으로부터 물질을 끌어들이다가 결국 폭발하면서 일어나는 것으로 여겨지는 폭발 현상입니다. 이 초신성은 우주의 팽창을 측정하는 데 사용되어 왔으며, 그 팽창이 가속되고 있다는 발견에도 쓰였다는 점에서 중요합니다. 하지만 천문학자들은 결국 이런 방식으로 폭발하게 되는 구체적인 계(system)를 오랫동안 찾아왔음에도 성공하지 못했습니다. Irwin은 "만약 Ia형 초신성 폭발이 일어나기 전에 이를 미리 포착할 방법을 찾을 수 있다면, 그것은 정말 중요한 일일 것입니다"라고 말했습니다. "현재 우리는 이들이 폭발한 뒤에야 연구를 하고 있으며, 천문학자들은 실제로 무엇이 점화되었는지를 이해하는 데 어려움을 겪어 왔습니다."

두 번째 수수께끼는 일부 은하에서 별과 별 사이에 있는 기체로부터 전자를 벗겨내는 원인이 무엇인가 하는 문제입니다. 이 과정은 새로운 별이 얼마나 빨리 형성되는지에 영향을 미칠 수 있고, 은하의 전체적인 생애 주기를 결정짓기도 합니다. 뜨겁고 질량이 큰 별들이 이런 전자 박리에 기여한다는 것은 알려져 있지만, 그것만으로는 전체를 설명하지 못합니다. 연구자들이 하이퍼소프트 천체로부터 추정한 강렬한 자외선이 이 부족한 부분을 일부 채워줄 수 있습니다. Scientific American은 일부 은하에서는 보통 이런 전자 박리의 원인으로 지목되는 중심 블랙홀이 없는데도 이런 이온화된 기체가 관측된다고 지적하며, 하이퍼소프트 천체가 이 공백을 설명할 하나의 가능성으로 남아 있다고 전했습니다.

Muhibullah는 이 천체들을 "은하 안에서 가장 에너지가 큰 천체들 중 하나"라고 표현하며, 이들이 "두 가지 우주적 수수께끼를 동시에 풀어낼 수 있을지도 모른다"고 말했습니다. Di Stefano는 좀 더 신중한 입장을 취하며, 검출된 84개의 천체를 "빙산의 일각"이라고 불렀습니다. 이 천체들이 방출할 것으로 추정되는 자외선 대부분이 은하 밖으로 빠져나오기 전에 흡수되기 때문에, 검출된 천체 하나하나가 숨겨진 훨씬 더 많은 수의 천체를 대표할 수 있다는 것입니다. Irwin도 비슷한 취지로, 극자외선(extreme ultraviolet light)에 민감한 망원경이 있고 흡수하는 기체가 가로막지 않는다면 이 천체들은 "이 은하들 안에서 엄청나게 밝게 빛날 것이며, 결코 놓칠 수 없었을 것"이라고 말했습니다.

개별 하이퍼소프트 천체의 정체는 아직 풀리지 않았습니다. 연구자들은 어떤 종류의 천체가 이 저에너지 X선과 추정되는 자외선을 만들어내는지 분명하지 않다고 밝히고 있으며, 이들이 제시한 메커니즘, 즉 압축된 천체가 동반성으로부터 물질을 끌어당기는 과정은 확정된 정체가 아니라 현재까지 가장 유력한 설명일 뿐입니다. 자외선 방출 자체는 직접 검출된 적이 없으며, 이는 X선 스펙트럼의 형태와 전자기 스펙트럼상에서 저에너지 X선이 자외선에 상대적으로 어디에 위치하는지에 관한 물리학으로부터 추론된 것입니다.

이번 발견은 강렬한 자외선을 내뿜는 이와 유사한 쌍성계의 큰 집단이 지금까지 발견되지 않은 채 남아 있었을 가능성을 시사합니다. 하지만 하이퍼소프트 천체가 실제로 Ia형 초신성의 근원이나 성간 기체의 전자 박리 현상을 설명한다는 점을 확인하려면, 지금까지 발견된 84개의 후보 천체를 확인하는 것을 넘어서는 추가 연구가 필요할 것입니다.