우주의 새벽을 밝히는 미니 헤일로: 초기 은하단의 비밀을 풀다

은하단을 둘러싼 고에너지 입자 구름 발견

캐나다 몬트리올대학교의 줄리 흐라바첵-라론도(Julie Hlavacek-Larrondo) 교수가 공동 이끈 국제 천문학자 연구팀이, 지금까지 관측된 것 중 가장 먼 거리의 ‘미니 헤일로(mini halo)’를 발견했다고 발표했다. 이 미니 헤일로는 지구에서 약 100억 광년 떨어진 은하단을 둘러싸고 있는 거대한 고에너지 입자 구름으로, 우주의 초기 진화를 이해하는 데 중요한 단서를 제공한다.

미니 헤일로란 무엇인가

미니 헤일로는 은하단 내부의 은하들 사이에 존재하는 진공 상태에서, 고속으로 움직이는 전하 입자들이 자기장을 따라 움직이며 방출하는 라디오파를 말한다. 이 신호는 개별 은하에서 나오는 것이 아니라, 은하단 전체에 걸쳐 퍼진 수백만 광년 규모의 넓은 영역에서 포착된다.

이번에 발견된 미니 헤일로는 기존에 관측된 가장 먼 거리의 사례보다 두 배나 멀리 떨어져 있으며, 지금까지 우주 초기에는 이런 현상이 존재하지 않았을 것이라는 통념을 깨뜨렸다.

은하단 형성 초기에 이미 에너지로 가득 차 있었다

이번 연구 결과는 초기 우주에서도 은하단이 이미 고에너지 입자들에 의해 영향을 받고 있었음을 보여준다. 이는 은하단이 생성되고 진화하는 과정에서 에너지가 어떤 방식으로 분포되고 전달되었는지를 설명하는 중요한 실마리를 제공한다.

흐라바첵-라론도 교수는 “마치 은하단 전체가 고에너지 입자 속에 잠겨 있는 거대한 우주 바다를 발견한 것과 같다”고 표현했다.

관측 기술과 발견의 의미

이 발견은 유럽 8개국에 걸쳐 설치된 10만 개 이상의 안테나로 구성된 저주파 전파망망망망(LOFAR, Low Frequency Array) 망을 통해 이루어졌다. 연구팀은 SpARCS1049라는 은하단을 관측하던 중, 특정 은하에서 나온 것이 아닌 희미하지만 넓게 퍼진 라디오 신호를 감지했다.

이는 은하단 내부에 있는 고속 입자들이 자기장을 따라 움직이면서 발생시키는 방사선으로, 미니 헤일로의 존재를 입증하는 강력한 단서였다.

고에너지 입자의 기원에 대한 두 가지 가설

이처럼 거대한 입자 구름은 어떻게 형성되는가에 대해, 연구팀은 두 가지 주요 이론을 제시한다.

첫 번째는, 은하단 중심에 자리 잡은 초대질량 블랙홀이 내뿜는 고에너지 제트이다. 블랙홀은 은하의 중심에서 빛보다 조금 느린 속도로 입자들을 방출할 수 있으며, 이 입자들이 멀리까지 퍼져나가면서 미니 헤일로를 형성할 수 있다는 것이다. 하지만 이 입자들이 어떻게 그렇게 먼 거리까지 에너지를 잃지 않고 이동하는지는 아직 명확히 밝혀지지 않았다.

두 번째 가설은, 은하단 내부의 뜨거운 플라스마에서 전하 입자들이 거의 광속에 가까운 속도로 충돌하며 생성되는 입자 파편이다. 이러한 고속 충돌은 미니 헤일로를 구성하는 고에너지 입자들을 만들어내며, 이들이 방출하는 라디오파가 지구에서 관측된다는 설명이다.

우주 진화 연구의 전환점

이번 발견은 은하단이 형성된 직후의 초기 우주 상태를 들여다볼 수 있는 드문 기회를 제공한다. 과학자들은 이 연구를 통해 은하단 내 고에너지 입자의 기원을 밝히고, 우주의 구조가 어떻게 형성되었는지를 좀 더 정교하게 이해할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

롤란트 티머만(Roland Timmerman) 박사는 “이처럼 먼 거리에서 강한 라디오 신호를 발견한 것은 매우 놀라운 일이며, 고에너지 입자들이 우주의 대부분 시기 동안 은하단 형성에 영향을 주었음을 시사한다”고 말했다.