은하 CRISTAL-02의 예술가 상상으로, 거대한 차가운 가스 기둥이 뻗어 나와 있습니다. 이 플룸은 은하 자체만큼이나 길어, 가스가 은하에서 밀려나가고 있다는 명확한 신호다. 출처: 조슈아 워스 크리에이티브 커먼즈 (CC BY 4.0)
천문학자들은 젊은 은하계가 별을 계속 만드는 데 필요한 가스를 불어내는 모습을 포착했으며, 이는 NASA/ESA/CSA 제임스 웹 우주망원경이 제시한 놀라운 현상 중 하나인 초기 우주에 많은 '죽은하'가 존재한다는 자연스러운 설명을 제공합니다.
CRISTAL-02로 알려진 이 시스템은 빅뱅 이후 겨우 11억 년 후로 간주됩니다. 그것은 고요하고 안정된 은하가 아니라, 우주 충돌의 마지막 단계에 갇힌 별을 형성하는 덩어리들의 집합체입니다. 그 충돌은 가스를 밀집된 영역으로 몰아넣어 격렬한 별 형성 폭발을 촉발한 것으로 보입니다. 이제는 같은 과정이 은하계를 영구적으로 멈추게 하는 데 도움을 주고 있을지도 모릅니다.
JWST와 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 배열(ALMA)을 이용한 이 발견은 CRISTAL-02에서 약 7,000광년 떨어진 거대한 차가운 가스 기둥을 드러냅니다. 가스는 강력한 바람을 타고 은하에서 멀어지고 있는데, 이는 명백한 활동 블랙홀이 아니라 단명한 거대 별들이 초신성으로 폭발할 때 방출되는 에너지에 의해 움직입니다.
"우주의 밀집된 영역은 매우 활발한 도시와 같다"고 호주 스윈번 공과대학교의 주저자 레베카 데이비스 박사는 말한다. "은하들은 충돌하고 광란의 별 형성 폭발을 겪습니다. 하지만 가장 큰 별들이 소멸하면 초신성으로 폭발하며 강력한 바람을 일으켜 은하가 별을 계속 형성하는 데 필요한 가스를 날려버립니다."
그 결과 '은하를 파괴하는 바람'이 발생할 수 있습니다. 은하들은 새로운 별의 상당수가 형성되지 않을 때 종종 죽었거나 조용하다고 묘사됩니다. 기존 별들은 수십억 년 동안 빛을 발할 수 있지만, 새로운 별이 형성되는 차가운 가스 저장소가 제거되거나 가열되거나 소진되면서 은하의 성장은 사실상 끝난 상태입니다.
JWST는 이미 우주가 겨우 10억 년에서 20억 년 전이었을 때 초기 우주에서 예상외로 많은 수의 거대 죽은 은하를 발견했습니다. 이것은 은하 진화 모델에 문제를 제기했는데, 왜냐하면 은하들은 빠르게 성장했다가 거의 즉시 꺼져야 하기 때문입니다. 일부 제안된 설명들은 더 이국적인 초기 우주 물리학을 언급하기도 했습니다. 예를 들어, 한 가지 생각은 오늘날 우주의 가속화된 팽창과 관련된 신비로운 힘인 암흑 에너지가 젊은 우주에서 더 강하거나 다르게 작용하여 은하들이 예상보다 빠르게 성장하고 죽을 수 있게 했다는 것입니다.
이번 연구는 더 단순한 가능성을 제시합니다: 격렬한 은하 병합이 강렬한 별 폭발을 촉발했고, 그 바람이 은하 자체의 연료를 쓸어버릴 만큼 강한 바람을 일으켰을 수 있습니다.
CRISTAL-02는 연간 약 260 태양 질량의 속도로 별을 형성하고 있는데, 이는 같은 시기에 비슷한 질량의 은하가 예상한 것보다 약 세 배 빠른 속도입니다. 하지만 유출 가스는 연간 약 520 태양질량의 가스를 제거하고 있으며, 이는 별 형성 속도의 두 배에 달합니다. 만약 이 상황이 계속되고 은하 주변에서 신선한 차가운 가스가 빨려들어오지 않는다면, CRISTAL-02는 수천만 년에 걸친 시간 척도로 분자 가스 저장소를 고갈시키거나 방출할 수 있습니다.
"은하에는 별을 형성하는 속도보다 두 배 빠른 강력한 바람이 물질을 방출하고 있습니다,"라고 데이비스는 말합니다. "이 급격한 폭발이 계속된다면, 은하는 5천만 년도 채 안 되어 죽을 수도 있습니다."
이 증거는 가스에 대한 두 가지 다른 관점을 결합한 결과입니다. ALMA는 차가운 물질을 탐지했고, JWST의 근적외선 분광기는 더 따뜻한 이온화 가스를 관측했습니다. 이 관측들은 서로 다른 물리적 상태의 가스로 이루어진 바람을 보여줍니다. 두 우주 모두 은하에서 대략 두 원뿔 모양으로 이동하는 것으로 보이며, 이는 은하 원반 위아래로 물질이 폭발하는 듯한 모습으로, 인근 은하에서 강렬한 별 형성 폭발을 겪는 바람과 유사합니다.
연구진은 유출구에 약 15억 태양 질량의 차가운 가스가 포함되어 있다고 추정합니다. 예상 유출 속도는 약 초당 640킬로미터로, 은하의 추정 탈출 속도와 비슷하므로, 일부 물질이 나중에 다시 떨어지지 않고 시스템 밖으로 완전히 빠져나갈 수 있습니다.
연구팀은 현재 활동 중인 초대질량 블랙홀이 바람을 움직이고 있다는 증거를 찾지 못했습니다. 하지만 연구진은 이전에 있었던 블랙홀 활동이 있었으나 이제는 사라졌을 가능성을 완전히 배제할 수 없다고 지적합니다.
만약 CRISTAL-02가 전형적이라면, 이 메커니즘은 널리 퍼져 있을 수 있습니다. 이 연구는 이 시기의 거대 은하 중 거의 절반이 대규모 병합을 겪고 있다고 지적합니다. 이러한 충돌은 가스를 안쪽으로 밀어내어 강렬한 별 형성을 점화시키고, 강력한 바람을 불어와 추가 별 형성을 억제하거나 심지어 멈추게 할 수 있습니다.
"초기 거대 은하의 거의 절반이 다른 인근 은하들과 상호작용하고 있어, 이것이 특이점이 아니라 광범위한 우주 현상임을 시사한다,"고 데이비스는 말한다. "CRISTAL-02는 이 거대한 은하들이 왜 빠르게 살고 일찍 죽는지에 대한 미스터리에 대한 자연스러운 해답을 제시한다."
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