Webb, 지금까지 관측된 가장 먼 고속 전파 폭발의 작은 모은하 발견

NASA, ESA, CSA의 공동 임무인 James Webb 우주망원경을 이용한 천문학자들이 FRB 20240304B를 만들어 낸 은하를 확인했다. NASA, ESA, W. M. Keck 천문대는 이 폭발을 지금까지 발견된 가장 먼 고속 전파 폭발이라고 설명한다. 세 건의 보도자료에 따르면, 시드니대학교의 Manisha Caleb이 이끈 이 연구는 10월 8일 학술지 Science에 게재되었다. 2007년에 처음 발견된 고속 전파 폭발은 수 밀리초 동안만 지속되는 전파 섬광으로, 우주 저 멀리에서 지구에 도달한다. 대부분은 단 한 번 관측된 뒤 다시는 보이지 않으며, 그 원인은 아직 밝혀지지 않았다.

MeerTRAP 팀은 2024년 3월 4일 남아프리카공화국의 MeerKAT 전파망원경으로 이 폭발을 포착했으며, 명칭도 이 날짜에서 비롯되었다. 전파 데이터는 매우 먼 거리를 시사했지만, 이를 확인하려면 폭발이 나온 은하를 찾아야 했다. 위치는 정확히 알려져 있었지만 지상의 대형 망원경으로는 그곳에서 아무것도 보이지 않았다. Keck 천문대에 따르면, 공동 저자인 J. Xavier Prochaska(캘리포니아대학교 샌타크루즈)가 이끄는 팀은 Keck I 망원경의 LRIS 장비로 그 지점을 1시간 동안 촬영했으나 은하를 찾지 못했다. Prochaska는 팀이 “발생원을 찾고 싶다면 우주로 가야 한다”는 결론을 내렸다고 말했다.

이후 Webb의 NIRCam 카메라가 폭발 위치에서 은하를 검출했고, NIRSpec 분광기가 이 은하의 적색편이를 2.148로 측정해 폭발 시점을 빅뱅 후 불과 30억 년으로 위치시켰다. Keck에 따르면 이 측정은 산소와 질소가 방출한 빛에 근거했다. 지금까지 기록된 고속 전파 폭발 대부분은 그보다 수십억 년 뒤에 일어났다. 모은하 역시 특이한 것으로 드러났다. 이러한 폭발과 연관된 은하는 보통 질량이 크고 별을 형성하는 은하인 반면, 이 은하는 연구진의 예상보다 질량이 약 1,000배 작은 작은 왜소은하이며, 다만 별 형성은 활발하게 이루어지고 있다. 이 은하는 우주의 별 형성이 정점에 달했던 시기인 ‘우주의 정오’ 무렵에 존재했으며, 그 별 형성률은 별의 대부분이 불과 3,000만 년 안에 태어났을 수 있음을 시사한다. 맨체스터대학교의 공동 저자 Ben Stappers는 “이 모은하는 우리가 가진 전체 은하 표본 중에서 두드러진다”고 말했다.

보도자료들은 이 결과가 폭발이 어떻게 발생하는지를 둘러싼 논쟁에 중요하다고 설명한다. 한 가지 설명은 두 중성자별의 병합에서 폭발이 생긴다는 것이다. 이러한 쌍은 나선을 그리며 서로 합쳐지기까지 수십억 년이 걸릴 것으로 예상되므로, 이런 방식으로 생긴 폭발은 주로 진화한 항성 집단을 지닌 오래된 은하에서 나타나야 한다. 또 다른 설명은 마그네타를 지목한다. 마그네타는 무거운 별이 초신성으로 생을 마감한 뒤 남는 젊고 강하게 자화된 중성자별로, 예를 들어 별지진(starquake)을 통해 오랜 기다림 없이 폭발을 방출할 수 있으며, 그렇다면 폭발은 이 은하처럼 젊은 은하에서 나타나게 된다. ESA와 Keck은 이번 발견이 젊은 마그네타가 유력한 원인임을 나타낸다고 밝혔다. Caleb은 “우리 연구는 이 FRB가 병합에 의해 생성되었을 가능성이 매우 낮다는 것을 시사한다”고 말했다.

이 폭발은 모은하와 지구 사이의 겉보기에 텅 빈 공간을 탐사하는 수단도 되었다. Prochaska는 고속 전파 폭발을 우주의 손전등에 비유한다. 그 신호에는 지나온 모든 것의 기록이 담겨 있어, 천문학자들은 이를 통해 다른 방법으로는 보이지 않는 우주 거대 구조망(코즈믹 웹)의 물질을 추적할 수 있다는 것이다. 연구팀은 이 신호에서 두 구조의 흔적을 발견했다. 하나는 지구에서 약 35억 광년 떨어진 적색편이 0.3의 이전에 알려지지 않은 은하단이고, 다른 하나는 약 5,400만 광년 거리에 있는 가까운 처녀자리 은하단이다. 앞으로 연구진은 MeerKAT이 적색편이 1.0을 넘는, 즉 우주의 시작까지 절반 넘게 거슬러 올라가는 거리에서 매년 여러 개의 폭발을 검출하고 위치를 특정할 수 있을 것으로 추산한다. 또한 새로운 전파 관측 시설이 그 속도를 높이고, 이처럼 먼 폭발의 모은하를 연구하는 데 Webb이 필수적일 것으로 예상한다.