JWST, 암흑물질로 구동되는 우주 최초의 별 발견

“초거대 암흑별은 극도로 밝고 거대하지만 주로 수소와 헬륨으로 이루어진 푹신한 구름입니다. 이 구름은 그 내부에 있는 미세한 양의 스스로 소멸되는 암흑 물질에 의해 중력 붕괴를 막아줍니다.”라고 Ilie는 말했습니다. 초거대 암흑별과 그 블랙홀 잔해는 최근 두 가지 천문학적 수수께끼를 푸는 열쇠가 될 수 있습니다. i. JWST로 관찰한 예상보다 훨씬 더 크고 매우 밝지만 조밀하고 매우 먼 은하, ii. 관측된 가장 먼 퀘이사에 동력을 공급하는 초대질량 블랙홀의 기원.

Katherine Freese는 Doug Spolyar 및 Paolo Gondolo와 함께 처음으로 어두운 별에 대한 아이디어를 제안했으며 이 개념에 대한 초기 동료 검토 논문을 출판했습니다. 실제 검토 편지 2008년에. 그 연구는 초기 우주에서 어떻게 어두운 별들이 성장하고 결국 초거대 블랙홀로 붕괴될 수 있는지를 설명했습니다. 2010년에 Freese, Ilie, Spolyar 및 그들의 협력자들은 이 이론을 다음과 같이 확장했습니다. 천체 물리학 저널암흑별이 엄청난 크기에 도달할 수 있는 두 가지 가능한 과정을 설명하고 존재하는 것으로 알려진 최초의 퀘이사에서 발견된 블랙홀의 씨앗이 될 수 있다고 예측했습니다.

암흑물질은 우주의 대략 4분의 1을 차지한다고 생각되지만, 그 본질은 여전히 ​​과학의 가장 큰 미스터리 중 하나로 남아 있습니다. 연구자들은 이것이 아직 발견되지 않은 유형의 기본 입자로 구성되어 있다고 믿고 있습니다. 수십 년간의 실험을 통해 이러한 입자를 찾았지만 지금까지 성공하지 못했습니다. 대표적인 가능성 중 하나는 WIMP(Weakly Interacting Massive Particles)입니다. 두 개의 WIMP가 충돌하면 서로를 소멸시켜 붕괴하는 수소 구름을 가열하고 빛나는 어두운 별처럼 빛나게 할 수 있는 에너지를 방출할 것으로 예상됩니다.

빅뱅 이후 수억 년 후 암흑물질 후광이라고 불리는 밀집된 지역 내의 조건은 그러한 별을 형성하는 데 이상적인 것으로 보입니다. 이 지역은 또한 1세대 일반 별이 나타날 것으로 예상되는 곳이기도 합니다.

“처음으로 우리는 JWST에서 빅뱅 이후 불과 300 Myr에 불과한 적색편이 14의 초기 천체를 포함하여 분광학적 초거대 암흑별 후보를 확인했습니다.”라고 Jeff와 Gail Kodosky 기증 물리학 의장이자 UT Austin의 Weinberg Institute 및 텍사스 우주론 및 천체 물리학 센터 소장인 Freese가 말했습니다. “태양보다 무게가 백만 배나 더 나가는 이러한 초기 암흑별은 암흑 물질에 대해 우리에게 가르쳐 줄 뿐만 아니라 설명하기 어려운 JWST에서 볼 수 있는 초기 초거대 블랙홀의 전조로서 중요합니다.”

2023년에는 PNAS Ilie, Paulin 및 Freese의 연구에 따르면 최초의 초거대 암흑별 후보(JADES-GS-z13-0, JADES-GS-z12-0 및 JADES-GS-z11-0)가 JWST NIRCam 기기의 측광 데이터를 사용하여 식별되었습니다. 그 이후로 JWST의 NIRSpec 장비의 스펙트럼은 이러한 물체와 매우 멀리 떨어진 몇 가지 다른 물체에 사용할 수 있게 되었습니다. 현재 Shafaat Mahmud도 포함된 팀은 지금까지 관찰된 가장 먼 물체 중 4개(2023년 연구의 후보 2개 포함)인 JADES-GS-z14-0, JADES-GS-z14-1, JADES-GS-13-0 및 JADES-GS-z11-0의 스펙트럼과 형태를 분석하여 각각이 초거대 암흑별 해석과 일치한다는 것을 발견했습니다.

JADES-GS-z14-1은 분해되지 않습니다. 이는 매우 멀리 떨어져 있는 초대질량 별과 같은 점 광원과 일치함을 의미합니다. 나머지 3개는 매우 콤팩트하며 성운에 동력을 공급하는 초대질량 암흑별(즉, 별을 둘러싸고 있는 이온화된 H 및 He 가스)로 모델링할 수 있습니다. 본 연구에서 분석된 네 가지 천체 각각은 문헌에 나타난 바와 같이 은하계 해석과도 일치합니다. 어두운 별은 대기에 다량의 단일 이온화된 헬륨이 있기 때문에 1640옹스트롬에서 흡수되는 특징인 연기나는 총 모양을 가지고 있습니다. 실제로 분석된 네 가지 개체 중 하나가 이러한 특징의 징후를 보여줍니다.

“이 연구 중 가장 흥미로운 순간 중 하나는 JADES-GS-z14-0의 스펙트럼에서 1640옹스트롬 흡수 딥을 발견한 것입니다. 이 특징의 신호 대 잡음비는 상대적으로 낮지만(S/N~2), 이것은 우리가 처음으로 어두운 별의 잠재적인 연기 흔적을 발견한 것입니다. 그 자체로 놀라운 일입니다.”라고 Ilie는 말했습니다.

아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 배열(ALMA)을 사용하는 천문학자들은 동일한 물체의 스펙트럼을 측정하여 성운 방출선을 통해 산소의 존재를 드러냈습니다. 연구자들은 두 가지 스펙트럼 특징이 모두 확인되면 그 물체는 고립된 어두운 별이 아니라 금속이 풍부한 환경에 묻혀 있는 어두운 별일 수 있다고 말했습니다. 이는 암흑별을 호스팅하는 암흑물질 헤일로가 은하계와 합쳐지는 합병의 결과일 수 있습니다. 대안으로, 연구자들이 이제 그것이 가능하다는 것을 깨달았듯이, 어두운 별과 일반 별이 동일한 호스트 헤일로에서 형성되었을 수도 있습니다.

초대질량 암흑별의 식별은 해당 물체의 관찰된 특성을 기반으로 암흑물질 입자에 대해 학습할 수 있는 가능성을 열어주고, 암흑물질로 구동되는 별에 대한 연구라는 새로운 천문학 분야를 확립할 것입니다. 이 출판된 PNAS 연구는 이 방향으로 가는 핵심 단계입니다.

자금 조달 승인: 이 연구는 Colgate University Research Council, Picker Interdisciplinary Sciences Institute, 미국 에너지부 고에너지 물리학 프로그램 사무국, Swedish Research Council, LSST Discovery Alliance, Brinson Foundation, WoodNext Foundation 및 Research Corporation for Science Advancement Foundation 등 기관의 넉넉한 자금 지원으로 가능해졌습니다.