우주 초기에 형성된 은하단 주변에 고에너지 입자들이 퍼져 있는 거대한 구름, 이른바 ‘미니 헤일로(mini halo)’가 관측됐다. 이번에 발견된 미니 헤일로는 지금까지 확인된 것 중 가장 먼 거리에서 발견된 사례로, 빛이 지구에 도달하는 데 100억 년이 걸릴 만큼 멀리 떨어져 있다. 이는 이전 관측 기록보다 두 배나 먼 거리이며, 우주 초기 은하단의 형성과 진화 과정을 이해하는 데 중요한 실마리를 제공한다.
은하단은 수백 개에서 수천 개의 은하가 중력으로 묶여 있는 우주 최대 규모의 구조다. 그 중심에는 수백만 도의 고온 플라스마가 존재하고, 은하 사이의 공간에는 보이지 않는 자기장과 고에너지 입자들이 채워져 있다. 이 입자들이 서로 충돌하거나, 은하 중심의 블랙홀이 방출하는 제트에 의해 가속되면서 전파를 방출하게 되는데, 이를 지구의 전파망원경으로 감지할 수 있다. 이러한 전파 신호가 은하단 중심에 퍼져 있을 때, 이를 ‘미니 헤일로’라고 부른다.
[사진=Chandra X-ray Center / X-ray: NASA/CXC/SAO, Optical: NASA/ESA/STScI, Radio: ASTRON/LOFAR, Image Processing: NASA/CXC/SAO/N. Wolk]
이번 연구는 캐나다 몬트리올대의 줄리 흐라바첵-라론도(Julie Hlavacek-Larrondo) 교수와 영국 더럼대 롤란드 티머만(Roland Timmerman) 박사 공동 연구팀이 수행했으며, 국제 전파망원경 네트워크인 ‘LOFAR'(Low Frequency Array)를 이용해 분석됐다. 연구팀은 SpARCS1049라는 이름의 먼 은하단을 조사하던 중, 개별 은하가 아닌 전체 은하단 중심부에서 퍼지는 희미한 전파 신호를 포착했고, 이는 미니 헤일로의 존재를 나타내는 전형적인 특징이었다.
이 전파 신호는 무려 100만 광년에 걸쳐 퍼져 있었고, 이처럼 먼 거리에서 고에너지 입자들이 이렇게 넓은 영역에 존재한다는 사실은 처음 확인된 것이다. 티머만 박사는 “지금까지 생각보다 훨씬 이른 시기부터 은하단 내부에 고에너지 입자가 존재했고, 그것이 은하단의 형성과 진화에 영향을 줬다는 의미”라고 설명했다. 이는 블랙홀 활동이나 플라스마 입자 충돌 같은 고에너지 과정이 우주 초기부터 이미 활발했음을 나타낸다.
향후 더 민감한 전파망원경인 ‘스퀘어 킬로미터 어레이(SKA)’ 등이 가동되면, 이보다 더 희미한 미니 헤일로까지 탐지할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구 담당자는 “우주 초기가 얼마나 에너지로 가득했는지, 이제 겨우 표면을 긁기 시작한 것”이라며, “이번 발견은 은하단이 어떻게 자라고 진화하는지를 새롭게 이해할 수 있는 창을 열어준다”고 밝혔다.
손동민 기자/ hello@sciencewave.kr
참고 논문: A Radio Mini-Halo in a Massive Cool Core Cluster of Galaxies at z = 1.709, The Astrophysical Journal Letters (2025). On Arxiv:
doi.org/10.48550/arXiv.2506.19901
자료: Astrophysical Journal Letters , arXiv / University of Montreal
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