우리 눈이 전파의 색상 스펙트럼을 인식할 수 있다면, 하늘을 바라볼 때마다 색이 변하고 순식간에 사라지는 빛의 독특한 장관을 목격하게 될 것이다.
이 빛의 펄스들은 50년 넘게 천문학자들에게 알려져 있었으며, 이들은 이를 전파망원경으로 관찰하고 연구해왔다. 이 펄스들은 우리 은하에서 초밀도의 특수한 별들인 펄서(pulsar)들에 의해 생성된다는 것이 밝혀졌다. 펄서는 우리 태양보다 훨씬 큰 별들이 모든 연료를 소모하고 스스로의 중력으로 붕괴될 때 형성된다.
마치 하늘에 박힌 등대처럼, 각 펄서는 자기장의 극을 통해 빛의 빔을 방출하는데, 이 빔이 지구와 일치할 때마다 망원경이 규칙적인 펄스를 감지하게 된다.
빛의 색 변화는 이 별들과 우리 사이에 있는 이온화된 가스 형태의 은하 물질 때문인데, 이 물질이 프리즘처럼 전파를 분산시킨다. 이러한 분산 덕분에 각 펄스가 지구로 오는 경로에 있는 물질의 양을 측정할 수 있다. 이러한 이유로 펄서는 우리 은하의 구조와 구성 요소를 연구하는 데 매우 유용하다.
펄서의 예술적 인상. 출처: B. 색스턴, NRAO/AUI/NSF.
FRB: 다른 은하에서 온 섬광
훨씬 더 최근에 발견된 것은 우리가 지구에서 매일 감지하는 일부 전파 섬광들이 우리 은하 이웃에 있는 펄서와는 관련이 없다는 사실이다. 천문학자들은 이 신비한 현상을 고속 전파 폭발(FRB, Fast Radio Burst)이라고 부르며, 2007년에 첫 번째로 감지된 이후로 그 존재를 알게 되었다.
각 구성 요소(주파수)의 검출을 보여주는 첫 번째 FRB의 발견. 재구성된 펄스는 오른쪽 상단에 표시됩니다. 출처: Lorimer et al. 2007.
형태적으로 유사하지만, FRB의 분산은 펄서가 생성하는 펄스에 비해 매우 클 수 있으며, 이는 경로에 많은 양의 가스가 존재한다는 것을 의미한다. 또 다른 중요한 차이점은 대부분의 FRB가 반복되지 않는다는 것이다.
이제 우리는 고 전파 폭발이 우리 은하에서 수십억 광년 떨어진 다른 은하에서 온다는 것을 알고 있다. 지구에서 이를 감지할 수 있다는 사실은 FRB가 알려진 펄서의 펄스보다 수백만 배 더 밝아, 우주에서 가장 강력한 폭발 중 하나라는 것을 의미한다.
다양한 이론들
FRB의 기원에 대해 확실히 말할 수 있는 것은 많지 않다. 지금까지 이 신비한 현상을 설명하기 위해 50개 이상의 이론이 제안되었다. 대부분의 이론은 펄서와 같은 중성자별을 FRB의 원천으로 제시한다. 다른 가설들은 블랙홀이 잠재적인 생성자로 작용할 수 있다고 본다.
일부 전문가들은 FRB가 아직 알려지지 않은 물체나 물리적 과정, 현재까지 가설로만 여겨지는 기본 입자, 혹은 외계 지성체의 증거일 수 있다고 주장하기도 한다.
일부 FRB가 불규칙하게 반복되며 동일한 우주 영역에서 발생한다는 발견은, 적어도 일부 FRB를 생성하는 물체가 스스로 파괴되지 않는다는 것을 의미한다. 이 엄청난 에너지가 방출되었음에도 말이다. 이러한 물체가 나머지 FRB를 생성하는 것들과 다른지 여부는 아직 명확하지 않다.
FRB 관측의 어려움
이러한 섬광은 매우 흔한 현상이다. 매일 하늘에서 수천 개가 발생하는 것으로 추정된다. 그런데도 왜 우리는 FRB에 대해 이렇게 적게 알고 있을까? 어떻게 그들이 오랫동안 우리 망원경을 피해갈 수 있었을까?
대부분의 전파 폭발이 무작위로 발생하고 매우 짧은 시간 동안 지속되기 때문에 이들을 감지하고 연구하는 것은 매우 어렵다. 몇몇 반복되는 FRB를 제외하면, 다음 섬광이 언제, 어느 하늘에서 나타날지 예측하는 것은 불가능하다.
또한 전통적인 전파망원경은 하늘의 특정 방향에서 가능한 한 많은 빛을 모으기 위해 거대한 접시 모양으로 설계되었다. 이는 별, 행성, 은하 등 우리가 관측하려는 대상을 정확히 알고 있을 때 매우 유용하지만, FRB처럼 순간적이고 무작위적인 신호를 감지하는 데는 비효율적이다.
이런 이유로 몇 년 전까지만 해도 FRB의 탐지율이 매우 낮았고, 그 기원에 대한 이론이 더 많았으며, 각 모델을 연구하고 비교할 수 있는 신호가 충분하지 않았다.
CHIME: FRB의 강력한 탐지기
FRB 연구 분야는 2018년 캐나다 수소 강도 지도 실험(이하 CHIME) 전파망원경이 가동된 이후로 급격히 변화했다.
CHIME 전파 망원경.
FRB가 처음 발견된 이후 전통적인 전파망원경을 통해 50개의 FRB를 탐지하는 데 10년이 걸렸던 반면, CHIME는 가동 첫 4년 동안 수천 개의 FRB를 발견했다. CHIME는 지금까지 만들어진 가장 강력한 고속 전파 폭발(FRB) 탐지기로 자리매김했다.
이 전례 없는 탐지 능력은 독특한 설계와 초당 거의 천조 번의 연산을 처리할 수 있는 특수 슈퍼컴퓨터 덕분이다. 이러한 특징 덕분에 CHIME는 축구장 크기의 전파망원경 1,000개에 해당하는 능력으로 극도로 분산된 신호를 탐지할 수 있다.
기원에 대한 새로운 단서
새롭게 발견된 대규모 FRB 덕분에 이들의 특성을 훨씬 더 정밀하게 연구할 수 있게 되었다.
예를 들어, 우리는 이제 FRB에 여러 종류가 있으며, 반복적으로 발생하는 FRB는 더 오래 지속되고 스펙트럼-시간 구조가 더 복잡하다는 것을 알고 있다. 하지만 이것이 서로 다른 생성 물체, 방출 메커니즘, 또는 전파 효과 때문인지 여부를 결정할 수 있을 만큼 충분한 정보는 아직 없다.
CHIME 망원경으로 탐지된 다양한 종류의 FRB Pleunis et al. 2021
CHIME 덕분에 이루어진 두 가지 중요한 발견은 FRB의 기원과 본질을 이해하는 데 중요한 역할을 했다.
첫 번째 발견은 2020년에 발표되었으며, 우리 은하에 있는 마그네타 방향에서 매우 밝은 전파 폭발을 감지한 것이다. 마그네타는 중성자별의 일종으로, 그 자기장은 일반적인 펄서보다 수천 배 강력하다. 기본적으로 이는 우주에서 가장 강력한 자석이라고 할 수 있다. 비록 이 폭발이 FRB에 속하지는 않지만, FRB와 유사한 폭발이 특정 천체, 이 경우 마그네타와 직접적으로 연관된 것은 처음이었다.
두 번째 발견은 올해 발표되었으며, 이전에는 관찰되지 않았던 특성을 가진 FRB를 감지한 것이다. 이 폭발은 평균 FRB보다 수천 배 더 긴 3초 이상 지속되었다. 더 놀라운 것은 하나의 펄스가 아니라 0.2초마다 엄격한 주기로 반복되는 펄스들이 연속적으로 나타났다는 점이다.
약 0.2초 주기의 펄스 트레인으로 구성된 역대 가장 긴 FRB에서 재구성된 신호입니다. 출처: The CHIME/FRB Collaboration 2022.
이런 행동은 펄서의 펄스와 매우 유사하지만, 아직 알 수 없는 이유로 이번에 발견된 펄스는 수백만 배 더 강렬하다.
이 발견은 펄서나 마그네타 같은 중성자별이 FRB를 생성할 수 있다는 이론을 강화한다. 그러나 모든 관측이 이 이론과 일치하는 것은 아니어서, 현재의 증거로는 우주에서 이러한 폭발을 일으키는 다른 원천이 존재할 가능성을 배제할 수 없다.
우주의 경계를 연구하는 새로운 도구
FRB의 기원 이해를 넘어, 과학계가 FRB에 큰 관심을 가지는 이유는 이들을 이용해 우주의 구조를 연구할 수 있는 가능성 때문이다. 이는 펄서를 통해 우리 은하를 연구하는 방식과 유사하다.
FRB의 활용은 은하 사이 공간을 채우고 있는 희박한 가스의 탐지에서부터 우주의 자기적 특성을 우주론적 규모에서 연구하는 것까지 다양하다. 또한, FRB는 우주의 초기 진화 시기를 탐구하고, 최근 우주 가속 팽창을 초래한 미스터리한 암흑 에너지를 연구하는 데도 중요한 역할을 할 수 있다.
다른 은하에서 온 이러한 신호는 현대 천체물리학과 우주론의 큰 수수께끼들을 풀어줄 잠재력을 가지고 있으며, 이는 기본 물리학과 우리가 우주를 이해하는 방식에 깊은 영향을 미칠 수 있다.
FRB의 발견은 확실히 우주를 탐험할 수 있는 새로운 창을 열어주었다.
[번역] 하주영
- 덧붙이는 말
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후안 메나 파라(Juan Mena-Parra)는 우주의 속성과 진화에 대한 이해를 높이기 위해 새로운 도구를 설계하고 제작하는 관측 우주학자다. 토론토 대학교 던랩 연구소 및 데이비드 던랩 천문학 및 천체물리학과의 조교수로 일한다. 참세상은 이 글을 공동 게재한다.
