Cloud-9:2000광년 떨어진 별 없는 은하와 유사한 물체 공개

천문학자들은 일반적으로 가장 중요한 것을 제외한 모든 면에서 은하계처럼 보이는 새로운 종류의 천체를 식별했을 수도 있다고 생각합니다.

이 물체에는 가스가 있습니다. 중력이 있습니다. 그것은 우주 전역에 걸쳐 은하계를 형성하는 보이지 않는 물질인 암흑 물질의 거대한 후광 안에 자리잡고 있습니다. 하지만 누가 봐도 별은 없습니다.

Cloud-9으로 알려진 이 물체는 오랫동안 예측되었지만 결코 설득력 있게 관찰되지 않은 범주인 "실패한 은하계"에 속하는 것으로 보입니다. 만약 확인된다면 그것은 근본적으로 다른 종류의 우주 구조, 즉 은하처럼 형성되었지만 별이 점화될 수 있는 문턱을 넘지 않은 구조를 나타낼 것입니다.

하지만 핵심은 다음과 같습니다. 별빛을 완전히 제거함으로써 Cloud-9은 천문학자들에게 희귀한 것을 제공합니다. 거의 단독으로 작용하는 암흑물질과 가스를 직접적으로 보여줍니다.

예측이 마침내 현실을 만나다

현대 우주론은 우주가 작은 암흑 물질 덩어리로 가득 차 있을 것이라고 예측합니다. 이러한 덩어리는 먼저 형성된 다음 일반 물질(주로 수소 가스)을 끌어당겨 냉각되고 붕괴되어 결국 별을 형성할 수 있습니다.

하지만 문제가 있습니다. 모든 암흑 물질 후광이 그러한 도약을 할 만큼 거대할 필요는 없습니다.

표준 우주 모델을 기반으로 한 이전 시뮬레이션에서는 많은 후광이 부족하다는 사실을 보여주었습니다. 그들은 가스를 모았지만 그것을 별로 바꾸지 못했습니다. 특히 재이온화라고 알려진 기간 동안 우주가 강력한 자외선으로 가득 차게 된 후에는 더욱 그렇습니다. 이러한 이론적 개체에는 재이온화 제한 H I 구름 또는 RELHIC라는 이름이 부여되었습니다.

RELHIC은 은하가 아닙니다. 그것들은 단순한 가스 구름도 아닙니다. 천문학자들은 중성 수소로 가득 차 있고 은하 형성의 가장자리에 멈춰 있는 암흑 물질이 지배하는 구조라고 묘사하는 것 사이에 있는 존재입니다.

그리고 지금까지는 대부분 컴퓨터 화면에 존재했습니다.

익숙한 은하 근처의 이상한 신호

Cloud-9은 2023년에 중국의 500미터 조리개 구형 망원경(FAST)을 사용하는 천문학자들이 지구에서 약 1,400만 광년 떨어진 나선은하 메시에 94 근처에서 특이한 중성수소 구름을 발견하면서 등장했습니다.

은하 근처에서 발견되는 대부분의 수소 구름과 달리 이 구름은 작고 매끄러우며 거의 구형에 가깝습니다. 그 가스는 내부 움직임을 거의 보이지 않았는데, 이는 회전보다는 압력에 의해 유지되고 있음을 시사합니다. 즉시 차별화되었습니다.

Green Bank Telescope와 Very Large Array를 사용한 후속 관찰을 통해 탐지가 확인되었으며 더 많은 놀라움이 드러났습니다. Cloud-9는 나선은하 메시에 94(Messier Galaxy Messier 94)와 동일한 후퇴 속도를 공유하는데, 이는 두 천체가 우연히 정렬된 것이 아니라 물리적으로 연관되어 있음을 나타냅니다.

Cloud-9의 수소 코어는 약 4,900광년에 걸쳐 있으며 대략 태양 질량에 해당하는 가스를 포함하고 있습니다. 그러나 가스를 안정적으로 유지하려면 중력만으로는 수소가 제공하는 것보다 훨씬 더 많은 질량이 필요합니다.

사라진 질량(태양 질량의 약 50억 배)은 암흑 물질로만 설명할 수 있습니다.

은하는 아니지만 아무것도 아닌 것도 아닙니다

언뜻 보기에 Cloud-9은 별이 거의 없는 희미한 왜소 은하로 오해될 수 있습니다. 천문학자들의 '죽은 은하계' 예측이 옳다면 그러한 가능성은 단호히 배제되어야 했습니다.

이를 위해 연구팀은 허블 우주 망원경을 사용하여 측량용 고급 카메라를 사용하여 가장 희미한 별 집단까지 검색했습니다. Cloud-9가 보통의 왜소은하를 호스팅했다면 허블은 적어도 소수의 오래된 적색거성을 분해했을 것입니다.

그렇지 않았습니다.

심층 이미징과 광범위한 시뮬레이션을 거친 후 연구팀은 Cloud-9에 태양 질량의 약 3,000배에 해당하는 별이 포함되어 있다는 결론을 내렸습니다. 이는 가장 희미하게 알려진 가스가 풍부한 왜소 은하보다 훨씬 작은 크기입니다.

발표된 분석에서 저자는 이 관찰이 "이 시스템이 재이온화 제한 H I 구름(RELHIC), 즉 우주 자외선 배경과 열 평형 상태에 있는 정수 가스로 채워진 별 없는 암흑 물질 후광이라는 해석을 강화한다"고 썼습니다.

이 진술은 Cloud-9를 이전에는 그토록 확신을 가질 수 없었던 이론적 범주에 속하게 합니다.

이 개체가 새 카테고리를 정의하는 이유

Cloud-9은 단지 특이한 것이 아니라 매우 특정한 물리적 체제를 차지합니다.

암흑물질 헤일로의 질량이 약간 더 크다면 중력이 열압력을 압도할 것입니다. 가스는 냉각되고, 조각나고, 별을 형성하여 Cloud-9를 알아볼 수 있는 은하계로 만들 것입니다. 후광이 약간 더 작았다면 가스는 오래 전에 벗겨지거나 이온화되었을 것입니다.

대신 Cloud-9은 은하 형성이 실패할 것으로 예상되는 질량 임계값에 거의 정확하게 위치합니다.

이는 왜소은하, 조수 잔해, 일반 가스 구름과는 질적으로 다릅니다. 마치 원시 상태에서 얼어붙은 것처럼 일찍 형성되어 재이온화에서 살아남고 가스를 보유하다가 정지한 구조입니다.

이것이 바로 천문학자들이 이를 초기 우주의 화석으로 묘사하는 이유입니다.

암흑물질을 들여다보는 깨끗한 창

암흑 물질을 연구하려는 대부분의 시도는 별에 의존합니다. 천문학자들은 보이지 않는 질량이 얼마나 많이 존재해야 하는지 추론하기 위해 별의 움직임을 추적합니다. 하지만 스타들은 주변 환경을 교란시키는 폭발, 방사선, 바람, 피드백 등 원치 않는 합병증을 가져옵니다.

Cloud-9에는 이 모든 것이 부족합니다.

그 수소 가스는 암흑 물질 후광의 중력과 거의 완벽하게 균형을 이루는 것으로 보입니다. 별과 같은 방해 신호원이 없기 때문에 강력한 실험실이 됩니다. 가스가 분포하는 방식과 이동하는 방식을 모델링함으로써 연구자들은 근본적인 암흑 물질을 직접 조사할 수 있습니다.

우주망원경과학연구소(Space Telescope Science Institute)의 앤드류 폭스(Andrew Fox)는 “이 구름은 어두운 우주로 통하는 창이다”라고 말했다.

즉, Cloud-9을 사용하면 천문학자들은 은하가 일반적으로 모호하게 만드는 영역에서 암흑 물질 이론을 테스트할 수 있습니다.

다른 설명 배제

팀은 대안적인 해석을 신중하게 고려했습니다. Cloud-9가 은하수 후광의 전경 구름이 될 수 있을까요? 그것의 속도는 그것을 배제합니다. 알려진 가스 흐름에서 나온 잔해일 수 있습니까? 위치와 모션이 일치하지 않습니다.

메시에 94를 둘러싼 뜨거운 물질의 압력으로 갇힌 가스 구름은 어떻습니까? 해당 시나리오는 잠시 동안 작동할 수 있지만 이러한 구름은 수천만 년 이내에 파쇄되어야 합니다. Cloud-9의 상대적으로 매끄러운 구조는 오래 지속되고 스스로 중력을 느끼는 무언가를 암시합니다.

비슷한 양의 수소를 가지고 있는 알려진 왜소은하와 비교했을 때, Cloud-9는 뚜렷하게 두드러집니다. 그 은하들은 모두 훨씬 더 많은 별들을 포함하고 있습니다. Cloud-9의 가스와 별의 비율은 수백 배 더 큽니다.

이러한 극심한 불균형은 RELHIC 이론이 예측하는 것과 정확히 같습니다.

하나의 개체는 인구가 아닙니다 — 아직

현재로서는 Cloud-9가 하나의 클래스로 남아 있습니다.

그래서 천문학자들은 조심스러워진다. 단일 개체가 오해의 소지가 있을 수 있습니다. 하지만 Cloud-9의 가치도 높아집니다. 향후 설문조사와 시뮬레이션을 위한 명확한 목표를 제공하기 때문입니다.

다가오는 전파 관측을 통해 다른 은하 근처에 숨어 있는 더 많은 RELHIC 후보가 드러날 수도 있습니다. James Webb 우주 망원경을 사용하여 더 깊은 이미징을 수행하면 별의 한계를 훨씬 더 낮출 수 있습니다. 수치 모델은 Cloud-9의 약간 왜곡된 가스 형태가 약한 환경 영향을 겪고 있는 실패한 은하에 대한 기대와 일치하는지 테스트할 수 있습니다.

Cloud-9가 결국 감지되지 않은 작은 별 집단을 수용하는 것으로 밝혀지더라도, 그 존재는 이미 새로운 것을 의미합니다. 이는 형성되는 은하와 거의 형성될 뻔한 은하 사이의 얇은 경계를 나타냅니다.

이번 발견은 The Asphysical Journal Letters에 보고되었으며 이번 주 애리조나주 피닉스에서 열린 미국 천문학회 제247차 회의에서 발표되었습니다.