거대 질량 항성이 죽음을 맞이하며 폭발할 때 발생하는 감마선 폭발(GRB)을 묘사한 예술가의 상상도. 출처: NASA/Swift/Cruz deWilde. NASA, CC BY.

지금까지 알려진 어떤 시나리오도 최근 우리 은하 바깥에서 감지된 강력한 감마선 폭발을 만족스럽게 설명하지 못하고 있다.

이 현상의 진정한 정체는 여전히 미스터리로 남아 있다.

감마선 폭발(GRB, Gamma Ray Bursts)은 우주에서 일어나는 가장 에너지 높은 사건 가운데 첫 번째 자리를 차지한다.

수 초 동안 하늘은 전자기파 스펙트럼 중 가장 에너지가 높은 감마선으로 갑작스럽게 밝아진다. 감마선은 인체 조직과 DNA에 손상을 줄 수 있을 정도로 강력하다. 다행히도, 이처럼 극단적으로 폭력적인 폭발은 우리 은하에서 매우 멀리 떨어진 외부 은하에서 발생한다.

전례 없는 감마선 폭발의 경보

2025년 7월 2일, NASA의 감마선 우주망원경인 페르미(Fermi)가 하루 동안 여러 차례 반복적으로 발생한 폭발을 감지했고, 이는 지금까지 관측된 바 없는 완전히 새로운 유형으로 나타났다.

이 발견의 중요성에 따라, 허블 우주망원경을 포함해 총 네 개의 관측소가 새롭게 명명된 GRB 250702B의 관측에 참여했다.

이 결과는 세계적인 학술지인 Astrophysical Journal에 게재되었다.

또한 연구진은 이 강력한 감마선의 근원을 우리 은하 바깥에 있는 한 외부 은하에서 찾아냈다.

감마선 폭발 GRB 250702B의 타임랩스 영상

감마선 폭발 GRB 250702B의 고속 촬영 영상. 이 이미지 시퀀스는 이례적이고 고에너지인 이번 사건의 수일간 변화를 보여준다. 출처: ESO/A. Levan, A. Martin-Carrillo 외.

하지만, 천문학자들이 우주의 가장 에너지 높은 빛을 관측하면서도 여전히 예측하기 어려운 이들 우주적 격변 현상(cósmicos cataclismos)은 어떤 일반적인 특징을 가지고 있을까?

우주의 모든 방향에서 날아온다

감마선 폭발(GRB)은 우주의 특정한 영역에 국한되지 않고, 어느 방향에서든 그리고 어느 순간에든 발생할 수 있다.

다음 감마선 폭발이 언제, 어디서 일어날지 예측할 수 없기 때문에, NASA의 페르미와 같은 현재 운용 중인 우주망원경뿐만 아니라 유럽우주국(ESA)이 설계 중인 e-ASTROGRAM 같은 차세대 망원경도 이러한 고에너지 사건을 찾기 위해 우주를 지속적으로 감시하고 있다.

실제로 미국 로스앨러모스 국립연구소(Los Alamos National Laboratory)의 과학자들은 1967년 7월 2일, 감마선을 탐지하는 미군 인공위성들이 수집한 데이터를 분석하던 중, 소련의 우주 핵실험 가능성을 조사하는 과정에서 이상한 신호를 발견했다.

그래프에는 강한 세기의 피크, 급격한 하강, 다소 약한 두 번째 피크, 그리고 점차 사라지는 완만한 하강 곡선이 나타났고, 이 모든 과정은 단 몇 초 만에 일어났다.

이것이 인류가 처음으로 우주 공간에서 감마선 폭발을 발견한 순간이었다. 인위적인 활동과는 전혀 관련 없는 사건이었으며, 이는 현재 과학자들을 당혹스럽게 만드는 GRB 250702B가 탐지되기 정확히 58년 전의 일이었다.

이후, NASA의 BATSE 실험이 선구적으로 수행한 탐색을 포함해, 수많은 우주관측소들이 우주의 모든 방향에서 수천 건에 달하는 감마선 폭발을 탐지해 왔다.

BATSE 실험이 9년간의 임무 동안 감지한 총 2,704개의 감마선 폭발(GRB)의 우주 내 분포도. 수평축은 은하수 평면에 해당하며, 각 폭발은 특유의 색상으로 표시되었다. 긴 지속 시간과 강한 세기의 GRB는 빨간색, 짧고 약한 GRB는 보라색으로 나타냈다. 출처: NASA/MSFC. NASA, CC BY.

몇 초 만에 엄청난 양의 에너지를 방출한다

감마선 폭발은 우주에서 가장 에너지 밀도가 높은 사건이다.

그 규모를 가늠하기 위해, 지금까지 관측된 가장 밝은 감마선 폭발인 GRB 221009A를 예로 들어보자. 이 폭발은 290초 동안 지속되었고, 그 짧은 시간 동안 태양이 지난 45억 년 동안 방출한 에너지보다 1,000배 더 많은 에너지를 한 번에 방출했다.

GRB는 폭발 초기 순간에 전자기파 스펙트럼 중 가장 에너지가 높은 감마선 영역에서 막대한 에너지를 방출한다.

그 후에는 폭발의 강도가 점차 낮아지면서 X선 → 자외선 → 가시광선 → 적외선 → 전파 순으로 더 긴 파장의 복사로 이어진다.

전자기 스펙트럼. 가장 에너지가 높은 감마선(파장이 가장 짧음)부터 라디오파(파장이 가장 김)까지를 포함한다. 출처: NASA. NASA, CC BY.

이러한 폭발의 마지막 단계는 사후광(Afterglow)이라고 부르며, 수개월 동안 지속될 수 있다. 이 사후광은 고에너지의 광선이 주변의 성간가스(interstellar gas)와 상호작용을 하면서 발생한다.

사후광은 GRB가 외부 은하에서 기원했다는 사실을 뒷받침하며, GRB의 중요한 특성 가운데 하나다. 다만, 일부 감마선 폭발은 이런 강도 감소 구간 없이 끝나기도 한다.

똑같은 감마선 폭발은 존재하지 않는다

천문 관측소들이 수집한 데이터를 바탕으로 연구자들은 ‘광도 곡선(light curve)’이라는 특성 그래프를 통해 감마선 폭발(GRB)을 분석한다. 이 곡선에서는 폭발의 에너지(세로축)가 시간(가로축)에 따라 어떻게 변하는지를 나타낸다.

이 광도 곡선들을 보면 알 수 있듯, 서로 완전히 동일한 감마선 폭발은 단 하나도 존재하지 않는다. 어떤 것은 매우 짧고, 어떤 것은 길며, 약한 경우도 있고 강한 경우도 있다. 어떤 곡선에는 여러 개의 강도 피크가 나타나지만, 어떤 곡선은 전혀 그런 변화 없이 단조롭게 이어지기도 한다. 모든 GRB는 각각 고유한 양상을 가진다.

천문 관측소들이 기록한 12개의 감마선 폭발(GRB)에 해당하는 광도 곡선. 서로 동일한 감마선 폭발은 존재하지 않는다. 출처: J.T. Bonnell (NASA/GSFC). NASA, CC BY.

우주에서 가장 격변적인 사건들과 관련되어 있다

이토록 폭력적인 폭발의 원인을 상세히 파악하기는 어렵다. 그 이유는 GRB의 대부분이 지구로부터 엄청난 거리에 떨어져 있기 때문이다.

하지만 GRB의 지속 시간에 따라 현재는 몇 가지 유력한 설명이 받아들여지고 있다.

2초 이상의 장기 GRB는 보통 거대 질량 항성의 마지막 순간이나 초신성 폭발과 관련되어 있다.

반면, 짧은 GRB(short-GRB)는 일반적으로 두 개의 중성자별, 혹은 중성자별과 블랙홀이 서로 병합하면서 발생한다고 본다.

이와 관련해, 가설 중 하나는 원시 블랙홀(Primordial Black Hole)이 원자 크기일 때 중성자별과 상호작용을 하면, 매우 짧고 사후광(afterglow)도 없는 특이한 GRB를 생성할 수 있다는 것이다. 연구진은 이에 대한 자체 논문도 발표했다.

GRB 250702B의 전례 없는 특이성

처음에는 2025년 7월 2일, NASA의 감마선 관측 위성 페르미가 이례적인 감마선 폭발을 탐지하며 경보를 발령했다. 이후 이 독특한 사건의 연구에 중국과학원(X-ray 망원경 아인슈타인 위성)과 유럽우주국(ESA)이 합류했다.

ESA의 연구팀은 칠레에 있는 초대형 망원경(Very Large Telescope, VLT)과 허블 우주망원경을 활용해 GRB 250702B의 정확한 위치를 파악했고, 수일간에 걸쳐 사후광을 모니터링했다.

감마선 폭발 GRB 250702B의 진화 과정 (2025년 7월 3일부터 15일까지). 이미지는 칠레의 초대형망원경(VLT, 노란색)과 허블 우주망원경(HST, 파란색)으로 촬영되었다. 출처: ESO/A. Levan, A. Martin-Carrillo 외 / NASA / ESA. ESA, CC BY.

이번 사건에서 가장 놀라운 점은 하루에 여러 번 감마선 폭발이 감지되었다는 사실이다. 이는 지금까지 단 한 번도 관측된 적 없는 현상이다.

즉, 지속 시간이 예외적으로 길었으며, 이 GRB의 광도 곡선은 연구자들이 현재 보유한 어떤 모델로도 명확히 설명할 수 없다.

감마선 폭발 GRB 250702B의 광도 곡선. 서로 다른 세 가지 색으로 표시된 세 개의 강도 피크는 3시간 이상의 시간 간격에 걸쳐 관측되었으며, 이는 장시간 GRB에서는 매우 이례적인 현상이다. 출처: arxiv.org/pdf/2507.14286. arxiv.org, CC BY.

이례적인 사건의 가능성 있는 원인들

앞서 언급한 정황을 고려할 때, GRB 250702B의 기원은 완전히 알려지지 않은 상태다. 이 폭발의 장시간 지속성과 주기성을 설명하기 위해 연구자들은 두 가지 다른 시나리오를 제시했다. 하나는 거대 질량 항성의 새로운 유형의 붕괴이고, 다른 하나는 블랙홀이 항성을 찢어내는 조석 교란 현상(TDE, Tidal Disruption Event)이다. 하지만 이들 시나리오는 모두 이 현상을 완전히 설명하지는 못한다.

이번 연구의 공동 저자이자 아일랜드 더블린 대학교(University College Dublin) 소속 천문학자인 안토니오 마르틴-카리요(Antonio Martín-Carrillo)는 다음과 같이 설명한다.

“이 감마선 폭발의 특성을 설명하려면, 비정상적인 항성이, 그것보다 더 이례적인 중간 질량 블랙홀에 의해 파괴되는 상황이어야 한다.”

그렇다면 GRB 250702B의 발견이 새로운 종류의 항성과 블랙홀 존재를 의미하는 것일까?

이 점에 대해서는 단정할 수 없다.

그러나 분명한 사실은, 인류가 우주의 가장 고에너지 영역을 탐사하기 시작한 지 거의 60년이 지난 지금에도, GRB 250702B의 기원은 여전히 불확실하다는 점이다.

[출처] La violenta explosión de rayos gamma que nadie puede explicar

[번역] 하주영 

덧붙이는 말

오스카르 델 바르코 노비요(Óscar del Barco Novillo)는 무르시아대학교(Universidad de Murcia) 물리학과 광학 전공 부교수다. 참세상은 이 글을 공동 게재한다.