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- 우주 전파 펄스는 단지 몇 밀리초 동안만 지속되지만, 엄청난 에너지를 방출
- 2022년 6월 10일 Australian Square Kilometer Array Pathfinder(ASKAP)의 36개 대형 라디오 안테나에 의해 포착
- 전파 펄스가 그 근원지로부터 우리에게 도달하는 데에는 약 80억 년이 걸렸다.

가장 먼 우주 전파 섬광에 관한 미스터리
80억 광년 이상 떨어진 곳에서 고속 전파가 터져 나오면 의문이 제기된다.

전파 펄스 미스터리:
천문학자들이 처음으로 80억 광년 이상 떨어진 곳에서 고속 전파 폭발을 포착했다. 이는 새로운 거리 기록이다. 동시에, 이 우주 전파 섬광은 지금까지 감지된 것 중 가장 강력한 에너지 중 하나다. 이는 단 1000분의 1초 만에 태양이 30년 동안 방출한 것보다 더 많은 에너지를 방출했다. 이 전파 펄스는 팀이 "Science"에서 보고한 것처럼 일반적인 형성 모델에 맞지 않는다. 또한, 이 전파 폭발의 특징은 우주의 물질 밀도에 대한 새로운 시각을 제시한다. 

▲ 천문학자들이 처음으로 80억 광년 이상 떨어진 곳에서 우주 전파 폭발을 포착했다. © Carl Knox, OzGrav/ Swinburne University

고속전파폭발(FRB; fast radiobursts)은 천문학의 가장 큰 미스터리 중 하나다. 왜냐하면, 이 우주 전파 펄스는 단지 몇 밀리초 동안만 지속되지만, 엄청난 에너지를 방출하기 때문이다. 우주 전파 폭발의 원인이 무엇인지는 불분명하다. 그들 중 적어도 일부는 강한 자기장을 가지고 빠르게 회전하는 중성자별인 마그네타에서 나온 것으로 보인다. 일부 무선 폭발이 한 번만 깜박이는 반면, 왜 다른 무선 폭발은 일련의 전체 무선 펄스를 생성하는지 설명할 수 없다. 게다가 천문학자들은 주파수 스펙트럼이나 원점 위치가 마그네타와 일치하지 않는 여러 무선 폭발을 발견했다.

80억 년의 여행

이제 천문학자들은 빠른 전파 폭발 중에서 또 다른 특이한 현상을 발견했다. 우주 전파 펄스는 2022년 6월 10일 Australian Square Kilometer Array Pathfinder(ASKAP)의 36개 대형 라디오 안테나에 의해 포착됐다. 시드니 맥쿼리 대학의 스튜어트 라이더(Stuart Ryder)와 그의 동료들이 보고한 바와 같이, 이 신호들은 약 1,271MHz의 주파수 범위에서 강력하지만 단 1.18밀리초의 짧은 무선 펄스를 감지했다.

추가 분석 결과:
FRB 20220610A로 명명된 무선 플래시는 비정상적으로 먼 거리에서 발생했으며, 방사선이 더 긴 파장 범위로 이동한 것으로 나타났다. 따라서 전파 펄스가 그 근원지로부터 우리에게 도달하는 데에는 약 80억 년이 걸렸음에 틀림없다. 이로 인해 FRB 20220610A는 지금까지 감지된 가장 먼 우주 전파 섬광이 되었다. 천문학자들의 보고에 따르면 FRB의 이전 거리 기록을 약 50% 초과한다.

▲ 호주 ASKAP 천문대에 있는 36개의 12미터 파라볼라 안테나가 빠른 라디오 버스트를 포착했다. © CSIRO/CC-by-sa 3.0

엄청난 에너지는 모델에 맞지 않아

FRB 20220610A의 에너지는 기록적인 수준이기도 하다. Ryder와 그의 팀은 "기기의 대역폭을 통해 볼 때 이 버스트의 에너지가 약 2 x 10^42 erg인 것으로 확인했다"고 보고했다. 이로 인해 이 전파 섬광은 지금까지 관찰된 것 중 가장 강력한 것 중 하나가 되었다. 아주 짧은 순간에 태양이 30년 동안 방출한 것과 같은 양의 에너지를 방출했다. FRB 20220610A는 멀리 떨어진 소스에도 불구하고 우리 은하나 가까운 이웃 은하에서 발생하는 전파 폭발보다 더 강력한 전파 신호를 생성했다.

이 엄청난 에너지는 극단적인 무선 폭발의 기원에 대한 의문을 제기한다. 현재 모델에 따르면, 빠른 전파 폭발은 고도로 자화된 중성자별의 표면 근처에서 또는 폭발 중에 마그네타가 방출하는 충격파에 의해 자극된 매우 가속된 방사선 및 입자 흐름에서 발생한다. "그러나 FRB 20220610A 및 기타 밝은 FRB는 두 모델을 사용하여 설명하기 어렵다"고 라이더(Ryder)와 그의 동료는 말했다.

소스로 먼 은하 그룹

이 빠른 전파 폭발의 발생 원인에 대해 더 자세히 알아내기 위해 천문학자들은 칠레에 있는 유럽 남부 천문대(ESO)의 초거대 망원경(VLT)과 하와이에 있는 W. M. Keck 천문대의 고해상도 광학 장치를 사용해 발생 지역을 조사했다. FRB 20220610A에 대해 자세히 설명했다. 서로 가까이 있는 두세 개의 밝은 점 그룹이 있다는 것이 밝혀졌다. Ryder와 그의 팀은 "이 특징은 상호 작용하거나 병합하는 두 개의 은하 또는 밀집된 은하 그룹과 일치한다"고 보고했다.

그러나 이 은하계에서 어떤 과정이 일어나고 있는지, 그리고 빠른 전파 폭발의 원인이 정확히 무엇인지 파악하는 것은 불가능하다. 공동저자인 호주 스윈번 공과대학(Swinburne University of Technology)의 라이언 섀넌(Ryan Shannon)은 “우리는 이러한 엄청난 에너지 폭발의 원인이 무엇인지 아직 알지 못하지만, 이번 연구는 빠른 전파 폭발이 우주에서 흔한 사건이라는 것을 확인시켜 준다”고 말했다. 빠른 전파 폭발의 시대는 또한 그러한 사건이 우리 우주의 과거 초기에 이미 발생했음을 보여준다.

'누락된' 문제에 대한 조사

이것과 다른 먼 거리의 고속 전파 폭발은 또 다른 이유로 흥미롭다. “우리는 그것을 사용하여 은하계 사이의 물질을 탐지하고 우주의 구조를 더 잘 이해할 수 있다”고 Shannon은 말했다. 전파 펄스가 우주를 통과하면서 은하간 매체에 있는 전하를 띤 입자와 상호 작용한다. 방사선은 특징적인 방식으로 변경된다. “무선 섬광의 근원과 지구 사이의 경로를 따라 있는 자유 전자는 무선 신호에 주파수에 따른 지연을 생성한다”고 천문학자들은 설명했다.

▲ 이 그림은 먼 은하군에서 우리까지 오는 우주 전파 섬광의 긴 경로를 보여준다. © ESO/M. Kornmesser

하이라이트:

분산이라고 불리는 이 왜곡은 우주의 물질 밀도를 측정하는 데 사용될 수 있으며 이는 천문학의 또 다른 위대한 미스터리를 해결하는 데 도움이 될 수 있다. Shannon은 “우주에 있는 정상적인 물질의 양을 세어보면 오늘날 존재해야 할 물질의 절반 이상이 사라진 것을 발견한다”고 말했다. "우리는 누락된 물질이 은하계 사이의 공간에 숨겨져 있다고 의심하지만, 이는 너무 뜨겁고 확산되어 일반적인 기술로는 볼 수 없다."

예상보다 더 많은 문제

그러나 이 점에서도 Radioblitz FRB 20220610A는 답변보다 더 많은 질문을 제기한다. Ryder와 그의 팀은 무선 방출에 대한 초기 분석을 통해 예상보다 높은 분산 값을 결정했다. 이는 은하간 매체가 이전에 생각했던 것보다 밀도가 더 높다는 것을 나타낼 수 있다. 또한 이 전파 폭발의 근원지와 지구 사이 어딘가(전경 폭발의 근원은하 또는 전파 폭발의 근원은하)에 조밀한 난류 자화 플라즈마 구름이 있다고 생각할 수도 있다.

미해결 질문을 명확히 하기 위해서는 유사하게 먼 거리에 있는 고속 무선 폭발이 더 필요할 것이다. SKA(Square Kilometer Array)의 확장은 먼 소스에서 이러한 무선 섬광을 캡처할 수 있는 더 많은 기회를 제공할 수 있다. 호주와 남아프리카공화국의 라디오 안테나는 서로 연결될 예정이다. 현재 건설 중이며 미래에 지구상에서 가장 큰 망원경이 될 ESO의 초거대 망원경(ELT)은 우주 전파 섬광의 근원에 대한 더 많은 정보를 제공할 수 있다.
(Science, 2023; doi: 10.1126/science.adf2678)
출처: 맥쿼리대학교, 유럽남부천문대(ESO)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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