Cloud-9은 무엇이며, 왜 ‘별 없는 은하’ 후보로 주목받나

Cloud-9은 가까운 나선은하 메시에 94(M94) 주변에서 발견된 조밀한 중성수소(H I) 구름이다. 천문학자들은 이 천체를 우주 재이온화 이후에도 일부 가스를 간직했지만, 관측 가능한 별 은하는 만들지 못한 암흑물질 헤일로, 즉 RELHIC(Reionization-Limited H I Cloud·재이온화 제한 중성수소 구름)의 가장 유력한 후보로 본다. 2

‘없음’을 보기 위해 10배 더 깊게 봤다

이그나시오 트루히요 연구팀은 스페인 카나리아 제도의 **10.4m 그란 텔레스코피오 카나리아스(GTC)**에 장착된 HiPERCAM으로 Cloud-9을 초심층 광학 관측했다. 관측의 핵심은 아주 희미하고 넓게 퍼진 별빛까지 포착할 감도를 확보하는 것이었다.

연구진이 도달한 표면밝기 한계는 g 대역에서 31.4, r 대역에서 31.0 mag/arcsec²로, 기존 심층 영상보다 약 10배 더 깊은 수준이다. 1

그런데도 Cloud-9 중심의 1′ × 1′ 영역, 실제 크기로 약 1.3 × 1.3kpc 또는 약 4,200 × 4,200광년 범위에서 확산된 별빛은 검출되지 않았다. 1

별이 있다 해도 얼마나 적을까

연구진은 오래되고 금속 함량이 낮은, 즉 매우 희미해서 찾기 어려운 별 집단이 존재한다고 가정해도 그 별의 표면질량밀도는 제곱파섹당 0.01 태양질량 이하로 제한된다고 추정했다. 중심 영역 전체에 허용되는 별 질량도 약 1만6,000 태양질량 이하다. 1

이는 허블우주망원경이 개별 별을 세는 방식으로 얻었던 결과와도 독립적으로 들어맞는다. Cloud-9 위치에 평범한 희미한 왜소은하가 숨어 있다는 설명은 더욱 설 자리가 좁아진 셈이다. 12

가스는 있는데, 은하는 왜 없을까

전파 관측으로 추정되는 Cloud-9의 중성수소 질량은 약 100만 태양질량이다. 이 가스가 중력에 붙들려 있다는 해석을 적용하면, 전체 헤일로 질량은 약 50억 태양질량에 이를 수 있다. 즉 검출된 수소 성분과 견줘 질량의 대부분이 암흑물질인, 대략 5,000 대 1 규모의 암흑물질 우세 천체라는 그림이 나온다. 2

이런 성질은 이론적으로 예측된 ‘경계 구간’과 맞닿아 있다. 헤일로가 이보다 조금 더 무거웠다면 가스가 더 조밀하게 모여 별 형성으로 이어졌을 가능성이 크다. 반대로 더 가벼웠다면 우주의 자외선에 의해 가스가 이온화되거나 주변 환경에서 벗겨져 나갔을 가능성이 높다. Cloud-9은 그 중간의 조건에서 가스만 남긴 사례일 수 있다. 2

암흑물질을 직접 본 것은 아니다

이번 결과를 암흑물질의 직접 검출이나 ‘별이 절대로 하나도 없다’는 최종 판정으로 받아들여서는 안 된다. 관측이 말해 주는 것은 현재 한계 안에서 별빛이 보이지 않으며, 있을 수 있는 별의 양도 매우 작다는 점이다. 1

그럼에도 Cloud-9은 저질량 암흑물질 헤일로 다수가 어둡거나 거의 어두울 것이라고 예측하는 람다 냉암흑물질(ΛCDM) 모형과 유난히 잘 들어맞는 관측 사례다. 12

앞선 광학적 한계 설정에는 DESI Imaging Legacy Survey 자료도 활용됐다. 앞으로 더 넓고 깊은 광학·H I 조사가 이와 비슷한 천체를 추가로 찾는다면, Cloud-9이 극히 드문 예외인지 아니면 지금까지 놓쳐 온 집단의 한 구성원인지 가릴 수 있을 것이다. 특히 고립돼 있고 가스를 품은 극저금속 왜소은하와 조밀한 H I 구름이 중요한 탐색 대상이다. 3