은하수 중심에서 5만 광년 뻗은 거대한 거품 두 개의 정체

 

은하수 중심에서 위아래로 뻗어 있는 거대한 구조 두 개는 무엇일까요? 이것은 페르미 버블(Fermi bubbles)이라고 부르는 감마선 방출 영역입니다. 각각 은하 원반에서 약 2만 5,000광년씩 뻗어 있어 전체 길이는 약 5만 광년에 이릅니다. 은하 중심이 과거에 방출한 막대한 에너지의 흔적일 가능성이 크지만, 정확한 원인을 단정할 수는 없습니다.

보통 소개 이미지에는 보라색 풍선처럼 보이지만, 실제 눈으로 감상할 수 있는 빛이 아닙니다. 감마선 자료를 분석해 위치와 윤곽을 파악한 것으로, 색채가 화려한 그림은 과학적 시각화 또는 가색 영상이라는 점을 먼저 기억해 주세요.

페르미 버블은 어떻게 발견되었을까요?

NASA의 페르미 감마선 우주망원경은 2008년 발사되었습니다. 이 망원경에 실린 대면적 망원경(LAT)은 전자기파 가운데 가장 에너지가 높은 감마선을 관측합니다. 연구진은 초기 2년 관측 자료를 분석하다가 은하 중심을 기준으로 대칭에 가까운 거대한 두 영역을 찾아냈고, 2010년 공개했습니다.

우리은하에서는 평소에도 고에너지 입자가 가스나 별빛과 상호작용하면서 감마선이 나옵니다. 따라서 측정값을 그대로 보면 거대한 거품을 구분하기 어렵습니다. 연구진은 은하 전체에 퍼진 배경 방출을 모델로 계산하고 뚜렷한 개별 천체의 영향을 살펴 나머지 신호를 추출했습니다. 그 결과 경계가 비교적 뚜렷한 두 개의 커다란 영역이 드러났습니다.

 

시끄러운 음악 속에서 특정 악기 소리만 찾아내는 과정과 비슷합니다. 여러 소리를 구별해야 원하는 연주가 드러나듯, 예상되는 감마선 배경을 분석해야 버블의 신호도 구분할 수 있습니다. 위 위성 이미지는 감마선 관측 장비의 작동 환경을 이해하기 위한 개념 이미지이며 실제 감마선 사진은 아닙니다.

두 버블이 은하 원반의 반대쪽에 자리한다는 점도 중요합니다. 이는 은하 중심에서 바깥으로 에너지가 이동했을 가능성을 시사합니다. 다만 우리는 은하수 내부에서 하늘을 관측하므로 흔히 보는 은하의 측면도 역시 실제 외부 카메라 촬영 장면이 아니라 재구성한 모습입니다.

은하수 중심에서 무엇이 이런 구조를 만들었을까요?

가장 주목받는 가설 중 하나는 은하 중심에 있는 초대질량 블랙홀 궁수자리 A별(Sagittarius A*)의 과거 활동입니다. 블랙홀 자체가 직접 빛을 내는 것은 아니지만, 주변 물질이 강착하면서 에너지가 방출되고 때에 따라 강력한 제트나 바람이 만들어질 수 있습니다. 다른 은하에서는 이런 현상이 관측됩니다.

궁수자리 A별이 수백만 년 전 지금보다 훨씬 활발했다면, 그때 방출한 물질과 에너지가 원반 위아래 방향으로 퍼지면서 거대한 영역을 형성했을 수 있습니다. 그러나 이는 과거 사건에 관한 과학적 모형입니다. 현재의 궁수자리 A별이 거대한 제트를 방출한다는 뜻은 아닙니다.

또 다른 설명은 은하 중심에서 일어난 대규모 별 탄생 활동입니다. 무거운 별의 항성풍과 초신성 폭발이 겹치면 주변 가스에 큰 에너지가 주입되고, 그 결과 은하풍이 불 수 있습니다. 버블이라는 명칭 때문에 속이 빈 풍선 두 개를 떠올리기 쉽지만, 실제로는 뜨거운 가스와 고에너지 입자의 분포를 연구하는 것입니다.

 

위 별 탄생 영역은 이러한 에너지원의 가능성을 이해하기 위한 개념 이미지입니다. 페르미 버블을 실제로 만든 현장의 관측 사진이라는 뜻은 아닙니다. 천문학자들은 두 가설을 버블의 모양, 감마선 에너지 분포, 가스 운동, 다른 파장대의 관측 결과와 비교합니다. 블랙홀 과거 분출설이 유력한 연구 결과가 있지만, 세부 시나리오는 계속 검증 중입니다.

감마선이 만들어지는 방식도 중요한 단서입니다. 빛에 가까운 속도로 운동하는 전자가 에너지가 낮은 광자에 에너지를 전달하면 광자가 감마선 수준으로 강해질 수 있는데, 이를 역컴프턴 산란이라고 합니다. 매우 에너지가 높은 양성자가 가스와 충돌해 감마선을 만드는 다른 경로도 있습니다. 어떤 입자가 주로 기여했는지는 관측 스펙트럼을 통해 분석합니다.

X선으로 발견한 또 다른 거대한 버블은 무엇일까요?

페르미 버블과 관련된 구조는 감마선뿐 아니라 X선 등 다른 파장에서도 연구되고 있습니다. 특히 2020년 eROSITA X선 망원경을 이용한 연구에서는 은하 중심 위아래로 각각 약 14킬로파섹, 즉 약 4만 6,000광년에 이르는 매우 큰 X선 버블이 보고되었습니다. 이 구조는 감마선으로 측정한 페르미 버블보다 더 큽니다. 따라서 페르미 버블의 전체 길이 5만 광년과 eROSITA 버블의 크기를 같은 수치로 이해하면 안 됩니다.

X선은 뜨거운 가스와 충격파 경계에 관한 단서를 제공하고, 감마선은 높은 에너지를 가진 입자들의 활동을 보여줍니다. 서로 다른 파장으로 측정했다고 해서 같은 대상에 색만 바꿔 칠한 것은 아닙니다. 여러 종류의 물리 현상이 은하 중심 주변에서 연결되어 있는지 살펴보는 것입니다.

은하 중심의 마이크로파 헤이즈 역시 중요한 자료입니다. 연구진은 감마선, X선, 마이크로파의 신호를 함께 비교하면서 하나의 오래된 분출 사건이 여러 관측 특징을 설명할 수 있는지 시험합니다. 2022년 Nature Astronomy 연구에서는 중심 블랙홀에서 수백만 년 전 발생한 제트 활동으로 이들 특징을 함께 재현할 수 있다는 수치 시뮬레이션을 발표했습니다.

이것은 과거 실제 분출을 영상으로 촬영했다는 뜻이 아닙니다. 시뮬레이션이 관측과 잘 들어맞아도 유일한 설명이라고 보장되지는 않습니다. 버블의 생성 시기도 팽창 속도, 입자의 에너지 손실, 은하 헤일로의 환경을 어떻게 가정하는지에 따라 달라져 정확한 연도를 확정하기는 어렵습니다.

결론

페르미 버블은 은하수 중심을 기준으로 위아래에 펼쳐진 실제 감마선 관측 구조입니다. 약 5만 광년에 이르는 규모는 은하 중심의 활동이 매우 넓은 우주 공간에 영향을 주었을 가능성을 보여줍니다. 초대질량 블랙홀의 과거 분출과 집중적인 별 탄생 활동은 모두 검토할 가설이며, 여러 파장대의 관측이 그 역사를 조금씩 밝혀 주고 있습니다.

“ 핵심 정리

페르미 버블은 은하 중심 위아래로 약 5만 광년 펼쳐진 감마선 방출 구조입니다. 과거 블랙홀 활동이나 대규모 별 탄생에 따른 에너지 분출이 원인일 수 있지만, 정확한 생성 과정은 아직 연구 중입니다.

관련 자료

• NASA — Fermi Telescope Finds Giant Structure in Our Galaxy
• NASA Science — Blowing Bubbles in the Gamma-ray Sky
• Predehl et al. (2020) — Detection of Large-scale X-ray Bubbles in the Milky Way Halo
• Yang et al. (2022) — Fermi and eROSITA Bubbles as Relics of Past Black Hole Activity
• NASA — Galactic Haze Seen by Planck and Bubbles Seen by Fermi