JWST는 암흑 물질로 구동되는 우주 최초의 별을 발견했을 수도 있습니다.

천문학자들이 "초거대 암흑별"의 첫 번째 증거를 발견했을 가능성이 있습니다. 이 별은 핵융합 대신 암흑 물질로 에너지를 공급받는 고대 거성입니다. 이번 발견은 우주 최초의 블랙홀과 은하가 어떻게 생겨났는지 밝혀낼 수 있습니다. 출처: AI/ScienceDaily.com

빅뱅 이후 수억 년 후, 초기 우주에서 최초의 별들은 거대하고 손상되지 않은 수소와 헬륨 구름에서 나타났습니다. 제임스 웹 우주 망원경(JWST)의 최근 관측 결과는 이러한 초기 별들 중 일부가 천문학자들이 수 세기 동안 연구해 온 익숙한 (핵융합으로 구동되는) 별들과 달랐을 가능성을 시사합니다. 콜게이트 대학교의 코스민 일리(Cosmin Ilie)가 펜실베이니아 대학교의 샤파트 마흐무드(Shafaat Mahmud, 콜게이트 26학번), 질리언 폴린(Jillian Paulin, 콜게이트 23학번), 텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스의 캐서린 프리즈(Katherine Freese)와 공동으로 진행한 새로운 연구는 과학자들이 초거대 암흑별에서 예상하는 것과 외관과 분광 특징이 일치하는 매우 멀리 떨어진 네 개의 천체를 발견했습니다.

"초거대 암흑별은 매우 밝고 거대하지만 부풀어 오른 구름으로, 주로 수소와 헬륨으로 이루어져 있으며, 그 내부에 있는 미량의 자멸하는 암흑 물질이 중력 붕괴를 막아줍니다."라고 일리는 말했습니다. 초거대 암흑별과 그 블랙홀 잔해는 최근 두 가지 천문학적 수수께끼를 푸는 데 핵심적인 역할을 할 수 있습니다. 첫째, JWST로 관측된 예상보다 크고 매우 밝지만 밀도가 높고 매우 멀리 떨어진 은하, 둘째, 관측된 가장 멀리 떨어진 퀘이사에 에너지를 공급하는 초거대 블랙홀의 기원입니다.

캐서린 프리즈는 더그 스폴리어, 파올로 곤돌로와 함께 암흑별 개념을 처음 제안했으며, 2008년 Physical Review Letters 에 이 개념에 대한 최초 동료 심사 논문을 발표했습니다 . 이 연구는 암흑별이 초기 우주에서 어떻게 성장하여 결국 초거대 블랙홀로 붕괴될 수 있는지를 설명했습니다. 2010년, 프리즈, 일리, 스폴리어, 그리고 그들의 공동 연구자들은 The Astrophysical Journal 에 이 이론을 확장하여 암흑별이 엄청난 크기에 도달할 수 있는 두 가지 가능한 과정을 설명하고, 이 과정이 알려진 최초의 퀘이사에서 발견되는 블랙홀의 씨앗이 될 수 있다고 예측했습니다.

암흑 물질은 우주의 약 4분의 1을 차지하는 것으로 여겨지지만, 그 본질은 여전히 ​​과학계의 가장 큰 미스터리 중 하나입니다. 연구자들은 암흑 물질이 아직 발견되지 않은 소립자로 구성되어 있다고 생각합니다. 수십 년간의 실험을 통해 이 입자를 찾아왔지만, 아직까지는 성과가 없습니다. 유력한 가능성 중 하나는 약하게 상호작용하는 거대 입자(WIMP)입니다. 두 개의 WIMP가 충돌하면 서로 소멸하면서 에너지를 방출하고, 이 에너지는 붕괴하는 수소 구름을 가열하여 밝게 빛나는 어두운 별처럼 빛나게 할 것으로 예상됩니다.

빅뱅 이후 수억 년 후, 암흑 물질 헤일로라고 불리는 고밀도 영역 내의 환경은 그러한 별의 형성에 이상적인 조건이었던 것으로 보입니다. 또한 이 영역은 최초의 일반 별들이 출현할 것으로 예상되었던 곳이기도 합니다.

"JWST에서 분광학적으로 초거대 암흑별 후보들을 처음으로 확인했습니다. 여기에는 빅뱅 이후 불과 3억 년 만에 적색편이 14에 도달한 가장 초기 천체들도 포함됩니다."라고 텍사스 오스틴 와인버그 연구소와 텍사스 우주론 및 천체입자물리학 센터 소장이자 물리학과 제프 앤 게일 코도스키 석좌교수인 프리즈는 말했습니다. "태양의 백만 배에 달하는 이러한 초기 암흑별들은 암흑 물질에 대한 지식을 제공하는 데 중요할 뿐만 아니라, JWST에서 관측되는 초기 초거대 블랙홀의 전구체로서도 중요합니다. 이 블랙홀들은 다른 방법으로는 설명하기 매우 어렵습니다."

Ilie, Paulin, Freese가 2023년에 PNAS 에 발표한 연구에서 JWST의 NIRCam 기구에서 얻은 광도 데이터를 사용하여 최초의 초대질량 암흑별 후보(JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0, JADES-GS-z11-0)를 식별했습니다. 그 이후로 JWST의 NIRSpec 기구에서 얻은 스펙트럼을 해당 천체와 다른 몇몇 극도로 먼 천체에 사용할 수 있게 되었습니다. 현재 Shafaat Mahmud도 포함된 이 팀은 지금까지 관측된 가장 먼 천체 4개(2023년 연구에서 얻은 후보 2개 포함)의 스펙트럼과 형태를 분석했고 각각이 초대질량 암흑별 해석과 일치한다는 것을 발견했습니다.

JADES-GS-z14-1은 분해되지 않았는데, 이는 매우 멀리 떨어진 초거대질량 별과 같은 점광원과 일치한다는 것을 의미합니다. 나머지 세 천체는 매우 조밀하며, 성운(즉, 별을 둘러싼 이온화된 수소와 헬륨 가스)에 에너지를 공급하는 초거대질량 암흑성으로 모델링할 수 있습니다. 이 연구에서 분석된 네 천체 모두 문헌에서 나타난 바와 같이 은하 해석과 일치합니다. 암흑성에는 대기에 단일 이온화된 헬륨이 다량 함유되어 있어 1640 옹스트롬에서 흡수 특성을 보이는, 확실한 특징이 있습니다. 실제로 분석된 네 천체 중 하나에서도 이러한 특징이 관찰되었습니다.

"이 연구에서 가장 흥미로운 순간 중 하나는 JADES-GS-z14-0 스펙트럼에서 1640 옹스트롬의 흡수 딥을 발견했을 때였습니다. 이 특징의 신호 대 잡음비는 비교적 낮지만(S/N~2), 암흑별의 잠재적인 결정적인 특징을 발견한 것은 이번이 처음입니다. 그 자체로 놀라운 일입니다."라고 일리는 말했습니다.

천문학자들은 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 전파망원경(ALMA)을 이용하여 같은 천체의 스펙트럼을 측정하여 성운 방출선을 통해 산소의 존재를 확인했습니다. 연구진은 두 가지 분광 특징이 모두 확인된다면, 해당 천체는 고립된 암흑별이 아니라 금속이 풍부한 환경에 묻힌 암흑별일 가능성이 있다고 밝혔습니다. 이는 암흑별을 품고 있는 암흑 물질 헤일로가 은하와 합쳐지는 병합의 결과일 수 있습니다. 또는 연구진이 이제 그 가능성을 깨달은 것처럼, 암흑별과 일반 별이 같은 헤일로에서 형성되었을 가능성도 있습니다.

초거대 암흑별의 발견은 관측된 천체의 특성을 바탕으로 암흑 물질 입자에 대한 이해를 넓혀줄 것이며, 천문학의 새로운 분야, 즉 암흑 물질로 구동되는 별에 대한 연구를 확립할 것입니다. PNAS 에 게재된 이번 연구는 이러한 방향으로 나아가는 중요한 발걸음입니다.

연구비 지원에 대한 감사의 말: 이 연구는 다음 기관의 후원으로 가능했습니다: 콜게이트 대학교 연구 위원회, 피커 학제 과학 연구소, 미국 에너지부 고에너지 물리학 프로그램 사무국, 스웨덴 연구 위원회, LSST Discovery Alliance, 브린슨 재단, 우드넥스트 재단, 과학 진흥 연구 재단.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251014014430.htm