호주 시드니대학교 천체물리학 연구진이 이끄는 국제 공동 연구팀이 100억 년 넘게 우주를 가로질러 지구에 도달한 강력한 전파 신호 FRB 20240304B의 기원 은하를 밝혀내는 성과를 거뒀다. 이번 발견은 인류가 지금까지 감지한 빠른전파폭발 현상 가운데 가장 먼 거리 기록을 경신한 사례로 기록됐다.
신호의 발생 환경과 물리적 거리를 규명한 논문은 2026년 10월 8일 목요일 세계적 권위의 국제 학술지 사이언스에 정식 게재됐다. 이 전파 펄스는 앞서 2024년 3월 4일 남아프리카공화국에 설치된 미어캣 전파망원경의 미어트랩 프로젝트를 통해 주파수 900MHz에서 1,700MHz 사이 대역에서 처음으로 포착된 바 있다.
빛의 굴절과 우주 팽창 분석으로 입증한 우주 초기의 전파 신호
빠른전파폭발은 수 밀리초라는 찰나의 순간 동안 지속되지만 은하 전체에 맞먹는 막대한 에너지를 뿜어내는 고에너지 전자기 펄스를 의미한다. 천문학계가 2007년에 처음 존재를 확인한 이 신호들은 지상 관측 시설이 하늘에서 정확한 좌표를 고정하기 전에 순식간에 사라지는 탓에 발원지를 추적하기가 매우 까다롭다.
이번에 분석된 FRB 20240304B 신호는 현재 138억 년으로 추정되는 우주 나이의 4분의 1 미만인 약 30억 년 시점에 방출된 것으로 나타났다. 연구팀이 측정한 우주론적 적색편이 값은 2.148로 확인됐으며, 이는 빛이 이동하는 동안 일어난 공간 팽창 정도를 나타내 기존 최장거리 기록을 두 배 이상 갈아치운 수치다.
우주 광선 역추적 계산에 따르면 전파는 지상 안테나에 닿기까지 107억 년이 넘는 세월 동안 우주 공간을 가로질렀다. 연구 논문의 주저자인 시드니대학교 마니샤 케일럽 교수는 “이번 관측은 우주가 형성된 지 30억 년에 불과했던 극히 이른 시기의 우주를 들여다볼 수 있는 드문 기회”라며 “수십억 년 동안 신호가 통과해 온 물질의 밀도를 연구하는 중요한 열쇠를 얻었다”고 설명했다.
지상 대형 관측 장비의 한계를 넘어선 우주 망원경의 정밀 분광 분석
우주 전파 신호의 발원 지점을 확정하기 위해 연구진은 지상 망원경과 최첨단 우주 관측 위성의 데이터를 대조하는 작업을 병행했다. 미국 하와이의 켁 천문대를 비롯한 세계 정상급 대형 지상 광학 망원경들이 지정된 좌표를 관측했으나, 천체의 광도가 워낙 어두워 지상에서는 기원 은하의 흔적을 전혀 포착하지 못했다.
은하의 시각적 형태 확인과 분광 분석은 미국 항공우주국 제임스웹우주망원경에 탑재된 근적외선 카메라와 근적외선 분광기를 통해 전격적으로 이뤄졌다. 우주 팽창으로 인해 파장이 적외선 영역으로 길어진 빛을 제임스웹 장비가 감지하면서 신호가 시작된 물리적 거리와 천체 환경이 상세히 드러났다.
연구 공동 책임자인 시드니대학교 테미야 나나야카라 박사는 “이번 관측 결과는 제임스웹우주망원경이 가진 뛰어난 성능을 다시 한번 입증한 것”이라며 “과거 기술로는 접근할 수 없었던 관측의 한계를 넘어선 성과”라고 강조했다.
금속 함량이 적고 별 생성이 활발한 고대 왜소은하의 환경
제임스웹우주망원경의 관측 데이터를 정밀 분석한 결과 전파가 방출된 천체는 일반적인 모은하와는 판이한 구조적 특성을 지니고 있었다. 거대 나선은하이거나 진화가 완료된 성숙한 은하가 아니라, 무거운 원소의 비중이 매우 낮고 새로운 별이 빠르게 태어나는 초기 왜소은하로 확인됐다. 천문학에서 수소와 헬륨보다 무거운 원소는 금속으로 분류되며, 이러한 원소의 부족은 은하가 아직 여러 세대의 별 진화를 거치지 않은 젊은 상태임을 의미한다.
해당 천체의 항성 질량은 지금까지 빠른전파폭발이 발견된 평균적인 모은하들과 비교했을 때 약 1,000분의 1 수준에 머무르는 것으로 산출됐다. 맨체스터대학교 교수이자 미어트랩 프로젝트를 총괄하는 벤 스타퍼스 연구원은 “지금까지 축적된 은하 표본 전체를 통틀어도 매우 이례적인 환경이며 연구진이 전혀 예상하지 못했던 결과”라고 평가했다.
논문 공동 저자인 시드니대학교 로라 드리에센 연구원 역시 “전파 폭발을 품고 있는 모은하는 놀라울 만큼 크기가 작고 금속 함량이 부족하지만 새로운 별을 매우 왕성하게 형성하고 있는 단계”라고 설명했다.
젊고 무거운 별들이 밀집한 이러한 환경은 강력한 자기장을 지닌 중성자별인 마그네타가 전파를 방출했을 것이라는 이론에 무게를 실어준다. 질량이 큰 별들이 연속적으로 폭발하며 새로운 중성자별을 형성하는 구조는 오래된 중성자별 간의 충돌 병합 모델보다 현재 관측 조건과 더 잘 들어맞는 양상을 보인다.
은하 사이에 흩어진 보이지 않는 플라스마 물질을 추적하는 연구
100억 년이 넘는 세월을 통과해 날아온 전자기파는 우주 공간에 분포한 보이지 않는 물질을 측정하는 표준 도구로도 활용된다. 전파가 우주 거대 구조를 통과하는 과정에서 자유 전자와 이온화된 가스에 부딪혀 발생하는 주파수별 지연 현상을 분석하면 은하단 사이에 흩어진 암흑 바리온 물질의 총량을 정밀하게 역산할 수 있다.
캘리포니아대학교 산타크루즈 캠퍼스의 제이 자비에 프로차스카 교수도 이번 공동 연구에 참여해 은하 간 가스 분포 측정 모델을 검증했다. 연구팀은 향후 미어캣 전파망원경과 제임스웹우주망원경의 관측망을 연계해 우주 초기 단계에서 전파 펄스를 추가로 탐색하고, 우주 진화 과정에 따른 가스 밀도의 변천사를 상세히 규명할 방침이다.