구상성단의 중심부는 회전하고 있다 : 우주의 젊음을 가리키는 지표?

미디어위원회

2023-09-18

구상성단의 중심부는 회전하고 있다

: 우주의 젊음을 가리키는 지표?

(Central rotation in globular clusters

: an indicator of relative youth?)

by Jake Hebert

대략 1만 개에서 수백만 개에 이르는 별들이 구 모양으로 빽빽하게 뭉쳐져 있는 구상성단(globular clusters)은 우주의 스노우 글로브(snow globes)를 닮은, 구형의 대칭적인 아름다운 성단이다. 별들의 밀도는 성단 중심 근처에서 가장 높으며, 성단 중심으로부터 거리가 멀어질수록 밀도가 떨어진다. 우리 은하에는 약 150개의 구상성단들이 은하궤도를 돌고 있으며, 여기에는 전갈자리(constellation Scorpius)의 메시에 80(Messier 80) 구상성단도 포함된다.(그림 1).

구상성단이 어떻게, 어디서 형성됐는지는 아직 밝혀지지 않았지만[1], 동일과정설 천문학자들은 구상성단이 우주에서 가장 오래된 천체 중 하나이며, 일반적으로 100억 년이 넘는 나이를 갖고 있다고 오랫동안 주장해 왔다. 실제로 동일과정설 천문학자들은 때때로 구상성단을 은하의 팽대부(bulges, 중심부)와 헤일로(halos, 은하 주변 가스 부위)에서 발견되는 오래된 성단으로 정의하기도 한다.[2] 최근 일부 동일과정설 천문학자들은 구상성단이 이전에 주장했던 것보다 40억 년 더 젊을 수 있다고 제안했다.[3, 4] 그러나 어쨌든 세속적 계산에 따르면, 구상성단의 나이는 수십억 년으로 추정되며, 일반적으로 우리 은하수 주위를 도는 구상성단의 나이는 적어도 110억 년이라는 데 동의하고 있다.[5]

그림 1. 세속적 천문학자들에 의해 120억 년의 나이로 알려진, 구상성단 메시에 80(Messier 80)의 허블 우주망원경 사진. 메시에 80의 내부 중심부는 회전하고 있음을 보여주는데, 그러한 회전은 세속적 이론의 계산에 따르면, 오래 전에 사라졌어야만 한다. <Image: NASA and ESA.fig1-messier>

구상성단이 어떻게, 어디서 형성되었는지 이해하지 못하고 있지만[1], 동일과정설 천문학자들은 구상성단이 우주에서 가장 오래된 천체 중 하나라고 오랫동안 주장해 왔다.

구상성단에서 잘 알려진 '중성자 별 보유 문제(neutron star retention problem)'는 구상성단에 예상보다 많은 수의 중성자 별들이 존재한다는 것이다. 이것은 구상성단이 세속 과학자들이 주장하는 것보다 훨씬 더 젊다는 것을 나타내는 지표로, 이미 창조론 문헌에서 논의된 바 있다.[6]

회전하고 있다는 증거

8년 전, 구상성단이 비교적 젊다는 것을 가리키는 또 다른 가능성의 지표가 대중 과학 언론과 기술 문헌에 나타났다.[7, 8] 텍사스 대학(University of Texas)과 막스 플랑크 외계 물리학 연구소(Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics)의 천문학자들은 가시선 운동학(line-of-sight kinematic) 연구를 통해, 우리 은하의 11개의 구상성단들 중심부에 있는 별들이 한 선호되는 자전축을 공전하고 있다는 증거를 발견했다. 천문학자들은 이미 근처의 잘 알려진 일부 구상성단의 바깥쪽 영역에서 별들이 회전하고 있다는 신호를 감지했었다. 그러나 그들은 이들 구상성단의 중심 부분에서 이러한 회전 신호를 발견하고 놀랐다.

교과서 이론에 따르면, 구상성단의 별들은 이체 상호작용(2-body interactions)을 겪으면서, 서로를 중력으로 '잡아당기는(tugs)' 작용을 한다. 이 잡아당김은 궤도를 도는 별들을 조금씩 움직여 궤도를 조금씩 변화시킨다. 충분한 시간과 충분한 상호작용이 주어지면, 이러한 중력적 잡아당김은 결국 별의 원래 궤도에 대한 '기억'을 '지워', 별의 궤도를 완전히 무작위적으로 만든다. 그리고 이 효과가 크게 나타나는 시간을 ‘완화시간(relaxation time)’이라고 말해진다. 완화시간에 대한 공식은 도출 방법에 따라 다소 다를 수 있지만, 일반적인 식은[9] 다음과 같다 :

위 방정식에서, v2는 성단 내 별들의 속도의 평균(질량 기준) 제곱, ρ는 성단의 질량 밀도, m은 성단 내 별의 평균 질량, G는 중력상수, N은 성단 내 별의 수이다. 이 공식의 도출에는 이체 상호작용에 대한 분석이 포함되며, 인터넷에서 쉽게 찾아볼 수 있다.

구상성단의 중심부는 밀도 ρ가 높기 때문에, 예상되는 중심부의 완화시간은 성단 전체의 완화시간뿐만 아니라, 밀도가 낮은 바깥쪽 부분의 완화시간보다 더 짧아야 한다. 구상성단의 중심 영역에 대한 추정 완화시간은 100만 년에서 1억 년 정도이며[10], N-바디 컴퓨터 시뮬레이션은 몇 번의 완화시간 후에 중심부 회전은 지워져야 한다고 제안한다.[11]

세속적 천문학자들에게는 설상가상으로, 일부 물리학자와 천체 물리학자들은 "자기 중력(self-gravity, 천체가 자체에 가하는 중력)은 거대 스케일 방식의 여기(excitation, 들뜸)를 통해, 항성계의 이완(relaxation, 풀림) 속도를 상당히 빠르게 한다"고 오랫동안 주장되어 왔다.[12] 고전적으로 도출된 방정식은 자기 중력과 다른 효과들을 무시하기 때문에, 이완 속도를 과소평가하여, 성단의 이완 시간을 과대평가하고 있다고 주장되었다.[13, 14] 이것이 사실이라면, 핵심 이완 시간은 훨씬 더 짧아져, 세속 우주론에 더 많은 스트레스를 가할 수 있다. 그러나 이러한 과학자들 중 일부는 최근 이러한 다른 효과가 적어도 일부 경우에는 이완 시간에 큰 차이를 만들지 않는다고 주장하면서, 스스로 번복하고 있는 것처럼 보인다.[15]

회전하고 있다는 증거와 구상성단 나이 사이의 모순

어떤 경우이든, 이러한 중심부가 회전한다는 징후(signature)와 구상성단의 추정 나이 사이에는 명백한 모순이 존재한다. 첨부된 보도 자료에 따르면, 현재의 이론적 모델(2014년)은 "이렇게 보편적이고 강한 회전"을 예측하지 못했다는 것이다.[8] '중심붕괴(core collapse)'라고 불리는 한 현상은 회전 증거를 지울 수 있지만, 연구된 11개의 구상성단들 중 어느 것도 중심붕괴를 겪은 것으로 생각되지 않는다.

말할 필요도 없이, 연구의 저자들은 매우 놀라고 있었다. 주 저자인 막시밀리안 파브리시우스(Maximilian Fabricius)는 이 결과는 '놀랍다'고 말했다.[8] 공동저자인 텍사스 대학(University of Texas)의 에바 노욜라(Eva Noyola)는 다음과 같이 말했다 :

"구상성단의 이론과 수치 시뮬레이션에 따르면, 어떠한 중심부 회전은 비교적 짧은 시간 척도에서 사라졌다... 이 구상성단은 수십억 년 전에 형성되었기 때문에, 지금쯤이면 모든 회전의 징후들은 사라졌을 것이 예상된다. 이전 측정에서 소수의 시스템에서 일부 회전을 보여주었지만, 그들은 단지 외부 영역에 있는 별들의 움직임을 조사했던 것이다."[8]

내가 말할 수 있는 것은, 이러한 현상에 대한 창조론적 문헌에서 유일한 언급은 내가 썼던 몇 편의 대중적 수준의 글들 뿐이다.[16, 17] 나는 창조론적 천문학계에서 이 현상이 많은 관심을 받지 못했다는 사실에 조금 놀랐다.

이것은 적어도 일부 구상성단의 나이가 세속적 추정보다 훨씬 젊다는 증거이다.

그때 이후로 구상성단 내부가 회전하고 있다는 증거들은 증가했다. 2018년에 한 조사에서는 22개의 구상성단 중 13개에서 내부가 회전하고 있다는 강력한 증거(>3σ 신뢰 수준)가 발견되었고[18], 두 번째 조사에서는 51개의 구상성단 중 11개에서 내부 회전에 대한 강력한 증거(>3σ 신뢰 수준)가 발견되었으며, 2σ 신뢰 수준에서 내부 회전의 증거가 있는 11개의 성단이 더 있었다.[19] 2014년 이후 최소 7개의 논문에서 이러한 구상성단 내부 회전의 결과가 보고되었다.[20]

결론

이것은 적어도 일부 구상성단(globular clusters)이 세속적 나이보다 훨씬 젊다는 증거이다. 물론 하나님이 어떤 종류의 시간 팽창(time dilation) 효과를 사용하셔서, 먼 별빛을 우리에게 빨리 가져다주었다면, 이 구상성단은 여전히 세속적인 우주 시계로 수억 수천만 년의 나이로 측정될 수 있다. 그러나 이것은 아마도 시간이 팽창된 우주에서도, 세속적 연대는 여전히 크게 부풀려져 있다는 것을 보여주는 또 하나의 증거인 것이다.[21]

Posted on CMI homepage: 8 September 2023

References and notes

1. Hamilton, C., Fouvry, J.-B., Binney, J., and Pichon, C., Revisiting relaxation in globular clusters, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 481(2):2041–2061, 2018; p. 2041.

2. Meylan, G. and Heggie, D.C., Internal dynamics of globular clusters, Astronomy and Astrophysics Review 8:1–143, 1997; p. 6.

3. Stanway, E.R. and Eldridge, J.J., Re-evaluating old stellar populations, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 479(1):75–93, 2018.

4. Klesman, A., Globular clusters might be younger than we thought, Astronomy, astronomy.com/news/2018/06/globular-clusters-might-be-younger-than-we-thought, 18 June 2018.

5. Globular cluster, Encyclopedia Britannica, britannica.com/science/globular-cluster, 5 May 2022.

6. Nethercott, P., Neutron stars in globular clusters: evidence of young age? CRSQ 53(1):14–18, 2016.

7. Fabricius, M.H., Noyola, E., Rukdee, S., Saglia, R.P., Bender, R., Hopp, U., Thomas, J., Opitsch, M., and Williams, M.J., Central rotations of Milky Way globular clusters, The Astrophysical J. Letters 787(2):1–6, 2014.

8. Globular clusters rotate at heart, Astronomy, astronomy.com/news/2014/05/globular-clusters-rotate-at-heart, 12 May 2014.

9. Meylan and Heggie, ref. 2, p. 54.

10. Meyland and Heggie, ref. 2, p. 73.

11. Fabricius et al., ref. 7, p. 1.

12. Hamilton et al., ref. 1, p. 2056.

13. Weinberg, M.D., Nonlocal and collective relaxation in stellar systems, Astrophysical J. 410:543–551, 1993.

14. Meylan and Heggie, ref. 2, pp. 55–56.

15. Fouvry, J.-B., Hamilton, C., Rozier, S., and Pichon, C., Resonant and non-resonant relaxation of globular clusters, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 508(2):2210–2225, 2021.

16. Hebert, J., Deep-space objects are young, Acts & Facts 48(9), 2019.

17. Hebert, J., Does the universe look old? Acts & Facts 50(10), 2021.

18. Kamann, S., Husser, T.-O., Dreizler, S., Emsellem, E., Weilbacher, P.M., Martens, S., Bacon, R., den Brok, M., Giesers, B., Krajnović, D., Roth, M.M., Wendt, M., and Wisotzki, L., A stellar census in globular clusters with MUSE: The contribution of rotation to cluster dynamics studied with 200,000 stars, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 473(4):5591–5616, 2018.

19. Bianchini, P., van der Marel, R.P., del Pino, A., Watkins, L.L., Bellini, A., Fardal, M.A., Libralato, M., and Sills, A., The internal rotation of globular clusters revealed by Gaia DR2, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 481(2):2125– 2139, 2018; esp. p. 2125.

20. Bianchini et al., ref. 19, p. 2125.

21. Samec, R.G. and Figg, E., The apparent age of the time-dilated universe 1: gyrochronology, angular momentum loss in close solar type binaries, CRSQ 49(1):5–18, 2012.

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