우리 은하 중심에 "암흑 왜성"이 있을까?
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-07-08 17:50:39
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- 2008년 초, 일부 천체물리학자들은 우주에 "암흑 별"이 존재할 수도 있다고 의심
- 암흑 물질 입자의 상호 소멸은 고에너지 복사를 방출해 별처럼 빛나게 할 수 있다는 가설
- 암흑왜성: 식어가는 갈색 왜성은 암흑 물질로 구동되는 안정적인 천체로 발달
- 제임스웹 우주 망원경이 고감도 분광기로 천체들이 얼마나 많은 리튬을 포함하고 있는지 측정할 수 있을 것. 그러나 그때까지 암흑 왜성은 가설로 남아 있다.
이 아이디어는 새로운 것이 아니다. 2008년 초, 일부 천체물리학자들은 우주에 "암흑 별"이 존재할 수도 있다고 의심했다. 암흑 별은 원자 핵융합뿐만 아니라 암흑 물질의 소멸에도 크게 의존하는 광도를 가진 별이다. 암흑 물질 입자의 이러한 상호 소멸은 고에너지 복사를 방출하여 별과 같은 천체가 빛나게 할 수 있다는 가설이다.
"암흑 물질은 중력을 통해 상호 작용하기 때문에 별에 의해 끌려가고 풍부해질 수 있다"고 하와이 대학교의 공동 저자인 제레미 삭스타인(Jeremy Saksyein)은 설명한다. "이렇게 되면 암흑 물질은 자기 자신과 상호 작용하여 별을 더욱 가열하는 에너지를 생성한다." 2023년 제임스웹 망원경은 실제로 그러한 "암흑 별"과 일치할 수 있는 특성을 가진 여러 먼 천체를 발견했다. 항성 블랙홀 주변에서도 암흑 물질이 밀집됐다는 것이 발견되었다.
준항성 천체 관측
이제 "암흑 별"에 새로운 관측 결과가 추가되었다. 영국 더럼 대학교의 삭스타인과 주나 크룬(Djuna Croon)이 이끄는 연구팀은 암흑 물질을 기반으로 하는 준항성 천체, 즉 암흑 왜성이 존재할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 이 연구의 출발점은 암흑 물질의 풍부함이 갈색 왜성에 어떤 영향을 미칠지에 대한 고찰이었다. 이러한 "실패한 별"은 핵에서 수소 핵융합을 일으킬 만큼 충분한 질량을 가지고 있지 않다.
크룬과 동료들은 "표준 모형에 따르면 안정적인 수소 연소를 위한 최소 질량은 태양 질량의 약 0.075배다"고 설명했다. 태양 질량의 8% 미만인 이 한계보다 작은 천체는 핵융합 과정에서 일시적으로 열과 빛을 생성할 수 있지만, 그 후 식으면서 수축한다. 이는 정상적인 현상이다.
갈색 왜성이 암흑 왜성이 되는 과정
"그러나 갈색 왜성이 암흑 물질을 포함하고 있다면 이러한 상황은 극적으로 달라진다"고 천체물리학자들은 설명했다. 암흑 물질의 소멸은 이러한 왜성이 식는 것을 막는 추가 에너지를 제공하기 때문이다. 처음에는 이러한 천체들이 일반적인 갈색 왜성과 유사하다. 그러나 핵융합이 계속 감소하고 점점 더 많은 암흑 물질을 끌어당기기 때문에 시간이 지남에 따라 변형된다.
"식어가는 갈색 왜성은 암흑 물질로 구동되는 안정적인 천체로 발달하는데, 우리는 이를 암흑 왜성이라고 부른다"고 크룬과 그녀의 팀은 설명한다. "이 천체들은 암흑 물질에 의해 주로 가열되는 평형 상태에 도달한다." 결과적으로, 이 암흑 왜성의 광도, 유효 온도, 그리고 반지름은 오랜 시간 동안 안정적으로 유지된다.
우리 은하 중심에 암흑 왜성이 있을까?
한 가지 문제가 있다. 갈색 왜성이 암흑 왜성으로 변하는 여부는 주변 암흑 물질의 밀도에 달려 있다. 천체물리학자들은 "암흑 물질 밀도가 낮은 영역의 천체들은 현재까지 우주의 나이 안에 이러한 평형 상태에 도달할 수 없다"고 말했다. 따라서 우리는 그곳에서 암흑 왜성을 찾을 수 없다.
하지만 우리 은하 중심을 비롯한 다른 은하의 경우는 상황이 다르다. 그곳에서는 암흑 물질이 갈색 왜성에 더 빠르게 축적될 만큼 밀도가 높다. 이는 암흑 물질에 의해 가열되는 그러한 천체들이 이미 그곳에 존재해야 한다는 것을 의미한다. 크룬과 그녀의 동료들은 "따라서 우리는 암흑 물질 밀도가 세제곱센티미터당 약 1천GeV(기가전자볼트)인 은하 중심 근처에 그러한 암흑 왜성들이 다수 존재할 것으로 예측한다"고 기술했다.
지표로서의 리튬
이러한 암흑 왜성이 실제로 존재한다면, 우리는 어떻게 식별할 수 있을까? 천체물리학자들은 이 부분도 조사했고, 하나의 지표를 발견했다. 이에 따르면, 암흑 왜성은 리튬 함량으로 일반적인 항성계 천체와 구별되어야 한다. 연구팀은 리튬 원소가 250만 켈빈 이상의 온도에서 자유 양성자와 반응해 두 개의 헬륨 원자핵으로 붕괴한다고 설명했다. 따라서 태양 질량의 0.062배 이상의 질량을 가진 일반적인 천체에서는 리튬이 빠르게 소모된다.
암흑 왜성의 경우는 다르다. 암흑 물질의 소멸만으로는 내부를 그렇게 많이 가열할 수 없다. "갈색 왜성과 비슷한 천체를 발견하면 리튬을 찾아볼 수 있다"고 삭슈타인은 설명했다. "리튬을 찾지 못한다면, 그것은 실제로 갈색 왜성이나 다른 일반적인 항성계 천체다." 하지만 10억 년 이상 된 왜성에서 충분한 리튬이 여전히 검출된다면, 그것은 암흑 왜성일 가능성이 있다.
천체물리학자들은 예를 들어 제임스웹 우주 망원경이 이 의문을 해소할 수 있을 것이라고 말한다. 이 망원경의 고감도 분광기는 우리 은하 중심부에 있는 항성 이하 천체들이 얼마나 많은 리튬을 포함하고 있는지 측정할 수 있을 것이다. 그러나 그때까지 암흑 왜성은 가설로 남아 있다.
참고: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2025; Preprint doi: 10.48550/arXiv.2408.00822
출처: arXiv Preprint, Sissa Medialab
- 2008년 초, 일부 천체물리학자들은 우주에 "암흑 별"이 존재할 수도 있다고 의심
- 암흑 물질 입자의 상호 소멸은 고에너지 복사를 방출해 별처럼 빛나게 할 수 있다는 가설
- 암흑왜성: 식어가는 갈색 왜성은 암흑 물질로 구동되는 안정적인 천체로 발달
- 제임스웹 우주 망원경이 고감도 분광기로 천체들이 얼마나 많은 리튬을 포함하고 있는지 측정할 수 있을 것. 그러나 그때까지 암흑 왜성은 가설로 남아 있다.
우리 은하 중심에 "암흑 왜성"이 있을까?
암흑 물질은 새로운 종류의 항성 아래 천체를 만들어낼 수 있을까요?
우리 은하 중심에는 특이한 천체들이 숨겨져 있을 수 있다. 바로 "암흑 왜성"이다. 언뜻 보기에 이 작은 천체들은 갈색 왜성과 비슷하다. 하지만 이들은 핵융합을 통해 빛을 내는 것이 아니라, 천체물리학자들의 가정대로 암흑 물질과 그 소멸 반응을 통해 빛을 낸다. 이 이론에 따르면, 암흑 왜성은 은하 중심처럼 특히 많은 양의 암흑 물질이 있는 곳 어디에서나 형성된다. 그렇다면 어떻게 암흑 왜성을 발견하고 식별할 수 있을까?
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| ▲ 은하수 중심부에는 암흑 물질로부터 에너지를 얻는 항성보다 작은 천체인 "암흑 왜성"이 존재할 수 있다. © NASA/JPL-Caltech |
이 아이디어는 새로운 것이 아니다. 2008년 초, 일부 천체물리학자들은 우주에 "암흑 별"이 존재할 수도 있다고 의심했다. 암흑 별은 원자 핵융합뿐만 아니라 암흑 물질의 소멸에도 크게 의존하는 광도를 가진 별이다. 암흑 물질 입자의 이러한 상호 소멸은 고에너지 복사를 방출하여 별과 같은 천체가 빛나게 할 수 있다는 가설이다.
"암흑 물질은 중력을 통해 상호 작용하기 때문에 별에 의해 끌려가고 풍부해질 수 있다"고 하와이 대학교의 공동 저자인 제레미 삭스타인(Jeremy Saksyein)은 설명한다. "이렇게 되면 암흑 물질은 자기 자신과 상호 작용하여 별을 더욱 가열하는 에너지를 생성한다." 2023년 제임스웹 망원경은 실제로 그러한 "암흑 별"과 일치할 수 있는 특성을 가진 여러 먼 천체를 발견했다. 항성 블랙홀 주변에서도 암흑 물질이 밀집됐다는 것이 발견되었다.
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| ▲ 일부 천문학자들은 제임스웹 망원경이 포착한 이 빛점이 암흑 물질 별일 가능성이 있다고 추측한다. © NASA/ESA/CSA |
준항성 천체 관측
이제 "암흑 별"에 새로운 관측 결과가 추가되었다. 영국 더럼 대학교의 삭스타인과 주나 크룬(Djuna Croon)이 이끄는 연구팀은 암흑 물질을 기반으로 하는 준항성 천체, 즉 암흑 왜성이 존재할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 이 연구의 출발점은 암흑 물질의 풍부함이 갈색 왜성에 어떤 영향을 미칠지에 대한 고찰이었다. 이러한 "실패한 별"은 핵에서 수소 핵융합을 일으킬 만큼 충분한 질량을 가지고 있지 않다.
크룬과 동료들은 "표준 모형에 따르면 안정적인 수소 연소를 위한 최소 질량은 태양 질량의 약 0.075배다"고 설명했다. 태양 질량의 8% 미만인 이 한계보다 작은 천체는 핵융합 과정에서 일시적으로 열과 빛을 생성할 수 있지만, 그 후 식으면서 수축한다. 이는 정상적인 현상이다.
갈색 왜성이 암흑 왜성이 되는 과정
"그러나 갈색 왜성이 암흑 물질을 포함하고 있다면 이러한 상황은 극적으로 달라진다"고 천체물리학자들은 설명했다. 암흑 물질의 소멸은 이러한 왜성이 식는 것을 막는 추가 에너지를 제공하기 때문이다. 처음에는 이러한 천체들이 일반적인 갈색 왜성과 유사하다. 그러나 핵융합이 계속 감소하고 점점 더 많은 암흑 물질을 끌어당기기 때문에 시간이 지남에 따라 변형된다.
"식어가는 갈색 왜성은 암흑 물질로 구동되는 안정적인 천체로 발달하는데, 우리는 이를 암흑 왜성이라고 부른다"고 크룬과 그녀의 팀은 설명한다. "이 천체들은 암흑 물질에 의해 주로 가열되는 평형 상태에 도달한다." 결과적으로, 이 암흑 왜성의 광도, 유효 온도, 그리고 반지름은 오랜 시간 동안 안정적으로 유지된다.
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| ▲ 우리 은하 중심부에는 갈색왜성이 암흑왜성으로 변하는 과정을 가속화할 만큼 암흑 물질이 충분히 밀집되어 있을 수 있다. © NASA/JPL-Caltech/S. Stolovy (Spitzer Science Center/Caltech) |
우리 은하 중심에 암흑 왜성이 있을까?
한 가지 문제가 있다. 갈색 왜성이 암흑 왜성으로 변하는 여부는 주변 암흑 물질의 밀도에 달려 있다. 천체물리학자들은 "암흑 물질 밀도가 낮은 영역의 천체들은 현재까지 우주의 나이 안에 이러한 평형 상태에 도달할 수 없다"고 말했다. 따라서 우리는 그곳에서 암흑 왜성을 찾을 수 없다.
하지만 우리 은하 중심을 비롯한 다른 은하의 경우는 상황이 다르다. 그곳에서는 암흑 물질이 갈색 왜성에 더 빠르게 축적될 만큼 밀도가 높다. 이는 암흑 물질에 의해 가열되는 그러한 천체들이 이미 그곳에 존재해야 한다는 것을 의미한다. 크룬과 그녀의 동료들은 "따라서 우리는 암흑 물질 밀도가 세제곱센티미터당 약 1천GeV(기가전자볼트)인 은하 중심 근처에 그러한 암흑 왜성들이 다수 존재할 것으로 예측한다"고 기술했다.
지표로서의 리튬
이러한 암흑 왜성이 실제로 존재한다면, 우리는 어떻게 식별할 수 있을까? 천체물리학자들은 이 부분도 조사했고, 하나의 지표를 발견했다. 이에 따르면, 암흑 왜성은 리튬 함량으로 일반적인 항성계 천체와 구별되어야 한다. 연구팀은 리튬 원소가 250만 켈빈 이상의 온도에서 자유 양성자와 반응해 두 개의 헬륨 원자핵으로 붕괴한다고 설명했다. 따라서 태양 질량의 0.062배 이상의 질량을 가진 일반적인 천체에서는 리튬이 빠르게 소모된다.
암흑 왜성의 경우는 다르다. 암흑 물질의 소멸만으로는 내부를 그렇게 많이 가열할 수 없다. "갈색 왜성과 비슷한 천체를 발견하면 리튬을 찾아볼 수 있다"고 삭슈타인은 설명했다. "리튬을 찾지 못한다면, 그것은 실제로 갈색 왜성이나 다른 일반적인 항성계 천체다." 하지만 10억 년 이상 된 왜성에서 충분한 리튬이 여전히 검출된다면, 그것은 암흑 왜성일 가능성이 있다.
천체물리학자들은 예를 들어 제임스웹 우주 망원경이 이 의문을 해소할 수 있을 것이라고 말한다. 이 망원경의 고감도 분광기는 우리 은하 중심부에 있는 항성 이하 천체들이 얼마나 많은 리튬을 포함하고 있는지 측정할 수 있을 것이다. 그러나 그때까지 암흑 왜성은 가설로 남아 있다.
참고: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2025; Preprint doi: 10.48550/arXiv.2408.00822
출처: arXiv Preprint, Sissa Medialab
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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