가장 먼 고속 전파 폭발, 지구보다 오래된 신호가 거리 기록을 두 배로

고속 전파 폭발(FRB)은 수천 분의 1초 동안 지속되는 전파 섬광으로, 우주 나이가 약 30억 살이었을 때 발생원을 떠나 100억 년 이상이 지난 후 남아프리카공화국의 망원경에 도달했다. 이는 지금까지 모은하까지 추적된 고속 전파 폭발 중 가장 먼 거리에 있는 것으로, 이전 기록 보유자보다 거리가 두 배 이상 멀다. 이 섬광은 지구가 형성되기 50억 년 이상 전에 출발했다.

제임스 웹 우주망원경이 그 발생원을 찾아냈을 때 놀라움이 있었다. 천문학자들은 크고 성숙한 은하를 예상했다. 그러나 발생원은 희미한 왜소은하였고, 질량은 연구팀이 예상했던 것보다 약 1,000배나 작았으며, 짧고 격렬한 폭발 속에서 대부분의 별을 형성한 것으로 보인다. 이 작고 젊은 모은하는 이제 이러한 섬광을 만들어내는 것이 무엇인지에 대한 가장 강력한 단서 중 하나가 되었다.

수천 개의 고속 전파 폭발이 탐지되었지만, 특정 은하에 연결된 것은 약 100개에 불과하며, 그중 거의 모두가 비교적 가까운 곳에 있다. 새로운 폭발, FRB 20240304B로 분류된 이 신호는 그 지도를 우주 역사상 가장 별 형성이 활발했던 시대로 밀어 넣었다.

“고속 전파 폭발이 흥미로운 이유는 무엇이 그것을 생성하는지 우리가 모르기 때문입니다,” 라고 연구를 이끈 시드니 대학교의 마니샤 케일럽(Manisha Caleb)이 말했다. “어떤 천체가 그것들을 만들어내는지에 대한 이론은 있지만, 결정적인 증거는 없습니다.”

전파 안테나와 웹이 아무도 볼 수 없었던 은하를 찾아낸 방법

이 폭발은 남아프리카공화국 카루 지역에 있는 64개의 전파 안테나 배열인 MeerKAT에 의해 포착되었다. 맨체스터 대학교의 벤 스타퍼스(Ben Stappers)가 이끄는 MeerTRAP이라는 탐색 시스템은 실시간으로 데이터를 스캔하여 단일 밝은 펄스를 찾는다. 이번 신호는 배경 잡음보다 100배 이상 높았으며, 배열은 사자자리에서 그 위치를 각초의 분수 단위까지 정밀하게 고정했다.

거리에 대한 첫 번째 단서는 신호 자체에서 나왔다. 은하 사이의 희박한 가스를 통과하는 전파는 약간 느려지며, 낮은 주파수일수록 더 느려지므로 폭발은 높은 음에서 낮은 음으로 내려오는 스윕 형태로 도착한다. 천문학자들은 그 지연의 크기를 분산 측정값(dispersion measure)이라고 부른다. 이번 폭발의 경우 약 2,458 단위로, 대부분의 알려진 폭발보다 훨씬 높았으며, 신호가 엄청난 양의 가스 기둥을 통과했음을 나타낸다.

그 숫자는 대략적인 거리만을 알려준다. 실제 거리를 알려면 모은하와 그 스펙트럼이 필요하다. 기존의 하늘 탐사 자료에서는 그 위치에 아무것도 나타나지 않았다. 하와이의 켁 I 망원경으로 한 시간 동안 깊이 관찰한 이미지나 애리조나의 MMT 천문대의 적외선 이미지에서도 마찬가지였다. 그 은하는 가장 큰 지상 망원경으로도 너무 희미했다.

그래서 연구팀은 웹의 관측 시간을 요청했다. 웹의 근적외선 카메라는 폭발 위치에서 약 0.3각초 떨어진 곳에서 28등급의 흐릿한 점을 찾아냈고, 통계적 검정 결과 폭발이 그 은하에서 왔을 확률이 97.5%였다. 웹의 근적외선 분광기는 은하 내에서 빛나는 수소와 산소에서 나오는 빛을 포착했는데, 이 빛은 우주 팽창에 의해 적색편이 2.148로 늘어나 있었다. 이는 이 폭발을 천문학자들이 ‘우주 정오(cosmic noon)’라고 부르는 시기에 위치시킨다. 이 시기는 은하들이 그 이전이나 이후 어느 때보다 빠르게 별을 형성하던 때다.

기록이 숫자로 의미하는 바

이전 기록 보유자는 호주의 ASKAP 망원경이 포착한 폭발로, 적색편이가 약 1.016이었고 빛은 약 80억 년을 여행했다. 새로운 폭발은 그 적색편이를 두 배 이상 늘렸다. 논문의 표현에 따르면, 이 신호는 “probes ionized gas over approximately 80% of cosmic history.”

에너지는 이러한 현상에서 관측된 범위의 최상위에 있다. Sky & Telescope는 이를 친숙한 용어로 설명했다: 태양이 1년 동안 방출하는 에너지보다 더 많은 에너지가 눈 깜빡임보다 짧은 섬광에 담겨 있다.

모은하는 가장 이상한 부분이다. 연구팀의 추정에 따르면 이 은하의 항성 질량은 태양 질량의 약 1,000만 배 수준으로, 우리 은하 별들의 극히 일부에 불과하다. 이 은하의 가스는 헬륨보다 무거운 원소의 함량이 태양의 10~20% 정도에 불과하며, 같은 크기의 은하가 일반적으로 그렇듯 별을 형성하는 속도보다 훨씬 빠르게 별을 만들고 있다. 연구자들은 이 은하의 대부분의 별이 약 3,000만 년 이내에 형성되었을 것으로 추정한다.

“우리는 별이 많은 크고 잘 형성된 은하일 것이라고 생각했습니다,” 라고 케일럽이 말했다. 스타퍼스는 더 직설적으로 말했다: “이 모은하는 우리가 가진 전체 은하 표본에서 두드러집니다. 그리고 우리가 예상했던 것이 아니었습니다.”

작고 젊은 은하가 하나의 원인을 가리키는 이유

두 가지 주요 설명은 폭발이 어디에서 나타나야 하는지에 대해 서로 다른 예측을 한다. 하나는 마그네타(magnetar)에서 비롯된다는 것이다. 마그네타는 지구에서 만들어진 가장 강력한 자석보다 수십억 배 강한 자기장을 가진 중성자별로, 거대한 별이 붕괴할 때 탄생한다. 이들은 그들을 만든 별이 생긴 후 수백만 년 이내에 형성된다. 다른 설명은 일부 폭발이 중성자별의 충돌에서 비롯된다는 것이다. 중성자별이 나선형으로 합쳐지는 데는 수십억 년이 걸릴 수 있으므로, 이러한 충돌은 더 오래된 은하에서 발생하는 경향이 있다.

수천만 년 만에 스스로를 형성한 은하는 느린 선택지에 여지가 거의 없다. “우리의 연구는 이 FRB가 합병에 의해 생성되었을 가능성이 매우 낮다는 것을 시사합니다,” 라고 케일럽이 말했다. 금속 함량이 낮은 가스는 또한 더 많은 초거대 별을 생성하는 경향이 있는데, 이는 마그네타를 남기는 종류의 별이다. 우리 은하에서 마그네타 SGR J1935+2154는 이미 같은 종류의 약한 폭발을 일으킨 바 있다.

신호는 또한 그것이 통과한 모든 것의 기록을 담고 있었다. 그 경로는 약 5,400만 광년 떨어진 거대 은하단인 처녀자리 은하단을 가로지르며, 우리로부터 약 35억 광년 떨어진 적색편이 0.31의 이전에 알려지지 않은 은하군 근처를 지난다. 연구팀은 이 두 구조가 신호의 추가 지연 대부분을 차지한다고 추정한다.

해결되지 않은 점

하나의 폭발은 하나의 데이터 포인트일 뿐이다. 마그네타 연관성은 이 모은하에 대한 가장 자연스러운 해석이지만, 연구자들은 이것이 증거가 아니며 모든 고속 전파 폭발이 동일한 기원을 가진다는 의미는 아니라고 강조한다.

은하의 특성은 넓은 오차 범위를 동반한다. 그 질량, 금속 함량, 별 형성 역사는 몇 장의 웹 이미지와 검출 한계에 있는 천체의 단일 스펙트럼에서 도출된 모델 추정치이다. 이렇게 희미한 폭발 모은하는 어떤 거리에서도 거의 연구된 적이 없기 때문에, 이 은하가 특이한 것인지 아니면 단순히 이전 탐사에서 놓친 종류의 첫 번째 사례인지 말하기 어렵다.

연구팀은 이 발견이 우연이 아니라고 주장한다. MeerKAT는 현재 이렇게 먼 거리를 볼 수 있을 만큼 민감한 유일한 폭발 탐사 장비이며, 그들은 주요 탐사에서 약 6.3%의 폭발이 적색편이 2 이상에서 와야 한다고 예측한다. 더 많은 탐지만이 이를 시험할 것이다. “모든 큰 수집은 단 하나의 표본에서 시작됩니다,” 라고 이 연구에 참여하지 않은 네덜란드 전파천문연구소의 요에리 판 레이우엔(Joeri van Leeuwen)이 말했다.

가장 먼 고속 전파 폭발에 관한 일반적인 질문

고속 전파 폭발이란 무엇인가?

고속 전파 폭발은 수 밀리초 동안 지속되는 전파 섬광으로, 가장 밝은 경우 태양이 1년 동안 방출하는 에너지만큼의 에너지를 담을 수 있다. 첫 번째는 2007년에 발견되었다. 그 기원은 여전히 논쟁 중이다.

가장 먼 고속 전파 폭발은 얼마나 멀리 있는가?

FRB 20240304B는 적색편이 2.148에 위치한다. 그 신호는 100억 년 이상을 여행했으며, 우주 나이가 약 30억 살이었을 때 모은하를 떠났다. 이는 이전 기록 보유자의 적색편이보다 두 배 이상이다.

마그네타가 고속 전파 폭발을 일으키는가?

마그네타는 가장 지지받는 설명이며, 이 폭발의 젊고 별을 형성하는 모은하는 그 주장을 강화한다. 그러나 어떤 연구도 모든 폭발이 마그네타에서 비롯된다는 것을 증명하지 못했으며, 이 결과를 얻은 연구자들은 아직 결정적인 증거가 없다고 말한다.

다음 단계

이 폭발은 2024년 3월 4일에 탐지되었고, 2025년 7월 몬트리올에서 열린 학회에서 처음 발표되었으며, 2026년 10월 8일 저널 Science에 게재되었다. 연구팀은 MeerKAT가 빅뱅 이후 절반 이상의 거리에서 매년 여러 개의 폭발을 찾아내고 정확한 위치를 파악할 수 있으며, 희미한 모은하를 식별하기 위해 웹이 필요할 것으로 추정한다. 현재 남아프리카공화국에서 건설 중인 Square Kilometre Array의 중간 주파수 망원경은 그 탐색을 더욱 확장할 것으로 기대된다. 스타퍼스는 목표를 명확히 제시했다: “The next step is to push this frontier further and see how close we can get to the first generations of stars.”

참고문헌: Caleb et al., “A fast radio burst at redshift 2, three billion years after the Big Bang,” Science, 2026. DOI: 10.1126/science.adz2675

태그: 천문학, James Webb Space Telescope, MeerKAT, 마그네타, FRB 20240304B, 고속 전파 폭발