은하의 중심에는 암흑물질을 흡수하여 '불사신'이 된 별이 존재하고 있다

인간이 그렇듯이 언젠가 수명을 맞이하는 별은 다 타오르거나 폭발하여 일생을 마칩니다. 그런데 은하의 중심부에는 암흑물질의 대소멸로부터 에너지를 얻음으로써 불멸의 존재가 된 별이 존재하고 있다는 연구결과가 보고되었습니다.

Dark matter could make our galaxy's innermost stars immortal
https://phys.org/news/2024-05-dark-galaxy-innermost-stars-immortal.html

Dark matter could make our galaxy's innermost stars immortal

'Immortal stars' could feast on dark matter in the Milky Way’s heart | Space
https://www.space.com/immortal-stars-dark-matter-milky-way

'Immortal stars' could feast on dark matter in the Milky Way’s heart

핵융합의 에너지로 빛나는 태양과 같은 별은 주계열성이라고 불리는데 연료인 수소를 소모하면 수명을 맞이합니다. 어떤 최후를 맞이하는지는 질량에 따라 다르며, 대부분은 백색왜성이 되거나 초신성 폭발을 일으켜 중성자별이나 블랙홀과 같은 고밀도의 천체가 되기도 합니다.

그러나 은하의 중심부에 있는 별들 중에는 보통의 항성과는 다른 예외도 있습니다. “은하 중심에 가장 가까운 곳에 있는 별들 이른바 'S클러스터 별'은 매우 불가사의하며 다른 곳에서도 볼 수 없는 특성을 가지고 있습니다. 중심부에 이러한 별들이 어떻게 가까워졌는지는 분명하지 않습니다.”라고 스웨덴 스톡홀름대학에서 천체물리학을 연구하는 이사벨 존 씨는 말합니다.

2024년 5월 프리프린트 서버 arXiv에서 발표한 미사독 논문에서 존 씨 연구팀은 항성진화의 컴퓨터 모델을 사용한 시뮬레이션을 실시해 S클러스터의 별들이 암흑물질을 흡수했던 경우와 하지 않았던 경우에서 어떠한 진화를 이루는지를 조사했습니다.

그 결과 질량이 큰 별이 암흑물질을 섭취하면 핵융합의 반응이 늦어져 별의 성장도 늦어지는 것을 알 수 있었습니다. 또 암흑물질의 밀도가 높은 경우는 핵융합 대신에 암흑물질이 연소되게 되어 별의 노화가 멈추는 것으로 나타났습니다. 즉 별은 핵융합 연료 대신에 암흑물질을 섭취하여 에너지원으로 하는 것이 가능하다는 것입니다.

은하의 중심부에는 외연부보다 농밀하게 암흑물질이 존재하고 있다고 생각되고 있으며, 실질적으로 무진장 공급되는 암흑물질을 태우면 S클러스터 별은 불로불사의 별이 될 수 있습니다.

존 씨는 “우리의 시뮬레이션은 별이 암흑물질만을 연료로 하여 살아남을 수 있음을 보여주고 있습니다. 은하의 중심 부근에는 매우 많은 양의 암흑물질이 있기 때문에 이러한 별들은 불멸하고 영원히 젊으며 별의 진화를 나타내는 HR 다이어그램에서 명확하고 관찰 가능한 새로운 영역을 차지합니다.”라고 말했습니다.

이와 같이 암흑물질을 흡수함으로써 주계열성과 같은 표준적인 항성의 진화모델에서 벗어난 별들의 그룹을 연구팀은 논문 속에서 "암흑주계열(Dark Main Sequence)"이라고 명명했습니다.

암흑물질은 보이지 않고 통상의 물질과도 상호작용하지 않기 때문에 관측할 수 없는 것으로 알려져 있지만 암흑물질끼리라면 상호작용할지도 모릅니다.

통상의 물질에 쌍을 이루는 반물질이 있듯이 암흑물질에도 입자와 반입자가 있다고 보면 그것들이 충돌하여 대소멸했을 때 방대한 에너지가 방출되기 때문에 암흑 주계열성 연구팀은 이를 핵융합대체의 에너지원으로 하여 계속 빛을 발할 수 있다고 보았습니다.

이번 연구에 제시된 모델을 사용하면 S클러스터 별에 대한 다양한 의문이 한꺼번에 해결됩니다. 예를 들어 존 씨가 말했듯이 은하의 중심부는 별이 형성되기 어려운 곳으로 거기에 있는 별들은 다른 곳에서 탄생하고 멀리 이동해 왔다고 보기엔 매우 젊다는 특징이 있습니다.

그러나 이러한 별이 암흑물질로 불로불사로 되어 있다면 은하의 중심부에 이상하게 젊은 별이 있는 '젊음의 역설(paradox of youth)'이나 늙은 별이 거의 없는 '노령'의 문제(conundrum of old age)', 은하의 중심 부근에 있는 별들이 대질량성에 치우치는 문제 등에 대해 설명이 가능합니다.

지금까지 은하의 중심부에 있는 것으로 확인된 별은 한 줌 밖에 없습니다. 왜냐하면 은하의 중심부는 매우 밝기 때문에 항성의 발견이 어렵기 때문입니다.

향후 운용이 시작되는 30미터 망원경이라면 이러한 영역을 기존보다 선명히 관측할 수 있기 때문에 암흑 주계열성의 존재를 확인하거나 암흑물질의 수수께끼에 다가갈 수 있을 것으로 기대됩니다.