은하 가까이에 숨어 있던 84개 ‘하이퍼소프트’ X선원

천문학자 무스타파 무히불라가 이끈 연구팀이 NASA 찬드라 X선 관측소의 공개 관측 자료를 다시 분석해, 인근 은하들에 숨어 있던 밝은 점 형태의 X선원 84개를 찾아냈다. 연구진은 이들을 하이퍼소프트 X선원(hypersoft X-ray sources·HSSs)이라 부른다. 핵심 특징은 방출 에너지가 유난히 낮아, 대부분의 신호가 0.3 keV 아래에 몰린다는 점이다. 3

표본에는 나선은하인 M31(안드로메다은하)과 M101(바람개비은하), 그리고 타원은하 4개가 포함됐다. 다만 이는 현재로서는 관측 특성으로 정의된 분류다. 즉, 독특한 에너지 스펙트럼은 확인됐지만 각각의 천체가 정확히 무엇인지는 아직 확정되지 않았다. 3

왜 기존 탐사에서 놓쳤나

일반적인 X선 천체 탐색은 비교적 높은 에너지 대역에 초점을 맞춘다. 반면 HSS는 찬드라가 관측할 수 있는 가장 낮은 에너지 쪽에서 강하게 보이고, 통상적으로 쓰이는 더 높은 에너지 X선 영상에서는 매우 희미하거나 아예 나타나지 않는다.

연구진은 0.3 keV 이하 방출이 지배적이며, 0.150.3 keV 광자 수가 0.31.0 keV 광자 수보다 8배 이상 많은 천체를 HSS로 분류했다. 3

발견이 어려웠던 이유는 두 가지다.

• 찬드라는 관측 가능 범위의 최저에너지 끝부분에서는 감도가 제한된다.
• 이처럼 부드러운 스펙트럼이라면 강한 자외선 방출도 예상되지만, 자외선은 지구로 오는 길에 성간 수소와 헬륨에 쉽게 흡수된다.

결국 X선과 자외선 관측 사이에 ‘사각지대’가 생겼고, 밝은 천체 집단이 오랫동안 눈에 띄지 않았을 수 있다는 뜻이다. 과거 찬드라 연구에서도 0.3 keV 아래에서만 방출하는 천체들은 표준 목록과 개별 연구의 천체 목록에서 대체로 빠져 있었던 것으로 보고됐다. 6

정체는 무엇일까

가장 유력한 설명은 물질을 흡수하는 쌍성계다. 백색왜성, 중성자별 또는 블랙홀 같은 밀집천체가 동반성에서 가스를 끌어당기는 구조다. 떨어져 들어가는 물질이 가열되면, 흔히 떠올리는 단단한 고에너지 X선 대신 극자외선과 초연성 X선이 두드러지는 스펙트럼을 만들 수 있다.

찬드라 스펙트럼으로부터 추정한 온도는 약 20만~25만 ℃다. 다만 이 값은 망원경 감도 한계에 가까운 저에너지 자료를 바탕으로 모델링해 얻은 추정치이지, 직접 측정한 온도는 아니다. 따라서 비슷한 ‘하이퍼소프트’ 외관이 서로 다른 종류의 밀집천체나 물질 흡수 상태에서 나올 가능성도 남아 있다.

초신성과 은하 속 가스 연구에 주는 단서

일부 HSS가 동반성으로부터 꾸준히 질량을 얻는 백색왜성이라면, Ia형 초신성 폭발 조건에 가까워지는 계를 찾는 데 도움이 될 수 있다. Ia형 초신성의 전구체가 어떤 경로를 거쳐 만들어지는지는 항성천문학의 중요한 미해결 문제다.

이 천체들의 자외선 방출은 주변 성간가스에도 영향을 줄 수 있다. 자외선 광자는 가스를 이온화하고, 이온화 상태 변화는 가스의 화학 조성과 냉각 과정에 영향을 미친다. NASA는 새로 발견된 천체들이 Ia형 초신성 전구체 문제와 성간가스 이온화 문제 모두에 단서를 줄 수 있다고 설명한다.

허블은 무엇을 확인하나

다음 단계는 찬드라 자료가 시사한 자외선 방출을 독립적으로 검증하는 것이다. 계획된 허블 우주망원경 관측은 일부 HSS의 자외선 대응천체를 찾거나, 자외선 밝기의 상한을 제시할 수 있다. 이는 초연성 X선 스펙트럼으로부터 계산한 에너지 방출량을 시험하는 방법이 된다.

자외선 관측을 X선 밝기와 시간에 따른 변동, 주변 환경, 동반성의 흔적과 함께 분석하면 백색왜성 계와 중성자별·블랙홀 계를 가려낼 수 있다. 또한 하이퍼소프트 X선원이 하나의 물리적 천체 집단인지, 아니면 유사한 저에너지 신호를 공유하는 여러 종류의 쌍성계를 묶은 이름인지를 밝히는 데도 도움이 될 전망이다.