우주 유령입자의 근원, 블랙홀이 아닐 수 있다

천문학자들이 강력한 중성미자의 근원을 추적한 결과, 초대질량 블랙홀이 아니라 폭발적인 별 생성 활동이 원인일 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 연구진은 지금까지 수수께끼로 남아 있던 고에너지 중성미자의 상당수가 먼지에 가려진 별 생성 은하에서 나올 가능성이 있다고 설명했다.

블랙홀이 아니다? 유령 입자의 정체를 쫓다

중성미자는 우주에서 가장 이해하기 어려운 입자 중 하나다. 엄청난 수의 중성미자가 지구와 인체를 통과하지만 물질과 거의 상호작용하지 않아 탐지가 매우 어렵다.

국제 연구진은 남극의 아이스큐브 중성미자 관측소가 포착한 고에너지 중성미자 사건 ‘IC 210922A’의 발생 원인을 찾기 위해 칠레의 아타카마 대형 밀리미터·서브밀리미터 전파망원경(ALMA)을 비롯한 여러 관측 장비를 활용했다.

추적 끝에 연구진은 지구에서 약 110억 광년 떨어진 매우 밝은 은하 ‘JCMT0402−0424’를 발견했다.

처음에는 이 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀이 강력한 에너지를 만들어 중성미자를 발생시켰을 것으로 예상됐다. 지금까지 확인된 중성미자 발생 은하 대부분이 블랙홀 활동에 의해 에너지를 얻고 있었기 때문이다. 그러나 관측 결과는 예상과 달랐다.

별 폭발이 만든 중성미자 공장

이 은하는 짙은 먼지에 가려져 가시광선으로는 거의 보이지 않는다. 대신 서브밀리미터 파장에서 매우 강하게 빛난다. 연구진은 이러한 특징 때문에 이 은하에 ‘섀도 블래스터(Shadow Blaster)’라는 별명을 붙였다.

관측에는 우주의 자연 망원경 역할을 한 중력렌즈 효과가 큰 도움을 줬다. 지구와 섀도 블래스터 사이에 위치한 다른 은하의 중력이 전파를 휘고 증폭시키면서 먼 은하를 훨씬 선명하게 볼 수 있었던 것이다.

ALMA 관측 결과 은하 중심에서는 블랙홀이 만들어내는 강력한 방출 신호가 전혀 발견되지 않았다. 대신 은하 전체의 가스와 먼지가 엄청난 별 생성 활동에 의해 가열되고 있는 것으로 나타났다.

연구진은 은하 중심부에서 지름 약 1,500광년에 불과한 작은 영역 안에 막대한 양의 가스와 먼지가 몰려 있는 초고밀도 핵 구조도 확인했다. 이 극단적인 환경이 고에너지 중성미자를 생산하는 장소일 가능성이 높다고 설명했다.

분석 결과 이런 먼지 많은 폭발적 별 생성 은하들이 우주 전체 고에너지 중성미자의 최대 20%를 만들어낼 수 있는 것으로 추정됐다.

연구진은 이번 발견이 확인될 경우 고에너지 중성미자의 기원을 설명하는 기존 이론을 크게 바꿀 수 있다고 밝혔다. 지금까지는 블랙홀이 주요 원인으로 여겨졌지만, 앞으로는 격렬한 별 생성 활동 역시 중요한 중성미자 생산원으로 인정받게 될 가능성이 커졌다.

성치훈 기자 / hello@sciencewave.kr

출처: ScienceDaily, “Scientists expected a black hole but found a neutrino factory powered by stars”