우주에서 가장 격렬한 바람의 속도가 측정됐다

천문학자들이 사상 처음으로 폭발적인 별 생성 활동을 보이는 인근 은하 M82 중심부에서 분출하는 초고온 가스의 속도를 직접 측정하는 데 성공했다. 일본우주항공연구개발기구(JAXA)가 운영하는 XRISM(X선 영상 분광 미션) 우주망원경의 리졸브(Resolve) 장비를 통해 수집된 데이터 분석 결과, 이 물질은 시속 320만 킬로미터 이상의 속도로 이동하고 있으며, 이는 은하 전체 규모의 차가운 바람을 발생시키는 주요 동력으로 확인됐다.

이번 연구를 이끈 메릴랜드대학교와 NASA 고다드우주비행센터 소속 에린 뵈처 박사는 "XRISM 이전에는 이 가설을 검증할 속도 측정 능력이 없었다"며 "이제 일부 모델이 예측한 것보다 더 빠른 가스 이동을 확인했고, 이는 바람을 은하 끝까지 밀어내기에 충분한 힘"이라고 설명했다.

왜 M82 은하가 중요한가

'시가 은하'라고도 불리는 M82는 지구에서 약 1,200만 광년 떨어진 큰곰자리에 위치한다. 이 은하는 크기 대비 별 생성 속도가 우리 은하보다 약 10배 빠른 '스타버스트 은하'로 분류된다. 특히 M82의 차가운 바람은 4만 광년까지 뻗어 있으며 막대한 양의 가스와 먼지를 방출하고 있어, NASA의 찬드라, 웹, 허블 등 여러 우주망원경이 이 현상을 집중 연구해왔다.

이번 연구의 핵심 의의는 별 생성 활동과 대규모 가스 유출 사이의 연결고리를 실측 데이터로 입증했다는 점이다. 연구진은 은하 중심부의 초고온 철에서 방출되는 X선 신호를 분석해 바람의 속도를 측정했다. 철을 비롯한 원소들의 X선 방출량으로 온도를 확인한 결과, 약 2,500만 도(섭씨 기준)로 예측치에 부합했다.

30년 넘게 이어진 스타버스트 은하 연구

M82에 대한 체계적 연구는 1990년대 X선 천문학의 발전과 함께 본격화됐다. 2000년대 찬드라 X선 망원경이 M82 중심부의 고온 가스 구조를 상세히 촬영했고, 2010년대에는 허블과 스피처 망원경이 차가운 바람의 범위를 정밀 측정했다. 그러나 뜨거운 바람의 실제 속도는 기술적 한계로 직접 측정이 불가능했다.

2024년 본격 가동된 XRISM의 리졸브 장비는 이 난제를 해결할 수 있는 고해상도와 민감도를 갖췄다. 도플러 효과를 활용해 철의 스펙트럼선 확장 정도를 분석함으로써 가스의 이동 속도를 산출하는 방식이다. XRISM은 JAXA가 주도하고 NASA와 유럽우주국(ESA)이 협력하는 국제 미션으로, 리졸브 장비는 NASA와 JAXA가 공동 개발했다.

앞으로의 전망 [AI 분석]

이번 연구는 우주선(cosmic ray)의 역할에 대한 새로운 논쟁을 촉발할 가능성이 높다. 기존 이론에서는 고속 하전 입자인 우주선이 은하 바람의 주요 압력원일 수 있다고 추정해왔으나, 이번 측정 결과는 열과 속도만으로도 차가운 바람을 충분히 구동할 수 있음을 보여준다.

다만 연구진이 밝힌 또 다른 수수께끼가 남아 있다. M82 중심부는 매년 태양 질량 7개에 해당하는 가스를 방출하는 것으로 계산됐는데, 측정된 바람 속도로는 연간 태양 질량 4개 수준의 가스만 밀어낼 수 있다. 이는 추가적인 가스 유출 메커니즘이 존재할 가능성을 시사한다.

향후 XRISM의 지속적인 관측을 통해 다른 스타버스트 은하들과의 비교 연구가 진행될 전망이며, 이는 은하 진화와 물질 순환에 대한 이해를 한 단계 높일 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구 결과는 3월 25일 《네이처(Nature)》에 게재됐다.