JWST reveals a low-mass protostellar outburst driving a methanol maser flare

별은 가스와 먼지를 중력이 한데 모으는 깊고 먼지투성이인 구름 속에서 탄생하며, 새로운 별이 점화될 때까지 이 과정은 계속됩니다. 이 과정은 결코 매끄럽고 꾸준한 사건이 아닙니다. 대신, 어린 별들은 종종 '분출(outbursts)'이라고 불리는 갑작스럽고 격렬한 성장 급증을 경험하며, 이때 짧은 시간 동안 엄청난 양의 물질을 집어삼킵니다. 이러한 분출은 별이 최종적으로 얼마나 무거워질지, 그리고 그 주변의 물질 원반이 어떻게 행성으로 진화할지를 결정하기 때문에 매우 중요합니다. 수십 년 동안 천문학자들은 가장 어리고 깊숙이 숨겨진 별들에서 이러한 사건을 포착하는 데 어려움을 겪어 왔는데, 이는 주변의 두꺼운 먼지가 가시광선을 차단하기 때문입니다. 그러나 메탄올 메이저(methanol maser)라고 알려진 특정한 종류의 빛나는 가스 구름은 이러한 에너지 넘치는 순간을 찾아내는 신호등 역할을 해왔습니다. 그때까지 이 밝은 라디오파 섬광은 거대한 질량의 별들의 전유물로 여겨졌으며, 이로 인해 과학자들은 오직 성간 유치장의 거인들만이 그러한 극적인 활동을 일으킬 수 있다고 믿어 왔습니다.

제임스 웹 우주 망원경과 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 간섭계(ALMA)를 사용한 천문학자 팀은 이제 이 가설을 뒤집었습니다. 그들은 먼 곳의 공간에서 발생한 거대한 메탄올 메이저 플레어가 거대한 별 자체가 아니라, 그 근처에 있는 훨씬 작은 동반성에 의해 발생했다는 사실을 발견했습니다. 이야기는 지구에서 약 1,250파섹 떨어진 곳에 위치한 IRAS 18134-1942라는 별 형성 영역에서 시작됩니다. 이 영역은 젊은 별들이 밀집해 있는 혼란스러운 클러스터이며, 먼지로 둘러싸인 환경 속에 놓여 있습니다. 2023년 초, 라디오 망원경은 밝고 거대한 원시별인 MM-main 근처의 메탄올 메이저 군집에서 갑작스럽고 강렬한 플레어를 감지했습니다. 이 섬광은 매우 밝고 빨랐기에 거대한 에너지가 급격히 주입되었음을 시사했으며, 자연스러운 가정은 중심에 있는 거대한 별가 갑자기 폭발했다는 것이었습니다.

이 미스터리를 풀기 위해 연구진은 세계에서 가장 강력한 우주 및 지상 기반 망원경들을 사용하여 신속한 대응을 촉발했습니다. 그들은 적외선 빛을 통해 주변의 먼지를 뚫고 현장을 관찰했는데, 이 빛은 11일 간격으로 두 번 관측되었습니다. 데이터는 놀라운 진실을 드러냈습니다. 거대한 별인 MM-main은 방출량에 유의미한 변화를 보이지 않았습니다. 그 스펙트럼은 연속 스펙트럼이나 방출선 모두에서 플럭스(flux) 변화를 보이지 않았으며, 밀리미터 방출 또한 분출 전 관측값과 비교했을 때 안정적이었습니다. 전체 영역에서 변하고 있었던 유일한 천체는 불과 짧은 거리 옆에 위치한 MM-NE라는 이름의 희미하고 저질량인 원시별이었습니다. 이 작은 별은 격렬한 분출을 겪고 있었으며, 불과 일주일 만에 밝기가 약 30퍼센트 증가했습니다. 연구진은 MM-NE가 물질의 제트(jet)를 뿜어내어 주변 먼지에 속이 빈 터널 혹은 공동(cavity)을 만들고 있다는 사실을 발견했습니다.

이 기하학적 배치가 퍼즐의 열쇠를 제공했습니다. 작은 별인 MM-NE의 유출 공동(outflow cavity)이 거대한 별 근처의 메이저가 번쩍이는 위치를 정확히 향하고 있었습니다. 연구진은 작은 별의 갑작스러운 빛의 분출이 자신의 투명한 터널을 통과하여 거대한 별 근처의 가스 구름을 타격했다고 결론지었습니다. 이 추가적인 복사 에너지의 분출은 메탄올 메이저를 극도로 밝은 상태로 밀어붙이기에 충분했고, 라디오 망원경이 포착했던 그 플레어를 만들어냈습니다. 거대한 별은 메이저가 존재할 수 있는 기초 조건을 제공했지만, 작은 별은 메이저를 번쩍이게 만든 갑작스러운 불꽃을 제공한 것입니다. 이 발견은 저질량 별들도 거대 질량 클러스터 내에서 메이저 플레어를 유발할 수 있음을 증명하며, 오직 거대한 별들만이 그러한 사건을 주도할 수 있다는 오랜 믿음에 도전합니다.

또한 이번 관측은 별의 환경이 갑작스러운 에너지 분출에 어떻게 반응하는지에 대한 드문 상세한 관찰 기회를 제공했습니다. 연구진은 물리적 변화가 일어나는 과정을 실시간으로 지켜보았습니다. 분출에서 나온 열은 바깥쪽으로 전달되어, 먼저 작은 별의 디스크 내부 가스를 가열함으로써 물과 메탄 같은 분자들이 밝게 빛나게 했습니다. 이 가열 파동은 더 멀리 이동하여 먼지 입자를 결정화시키고 얼음의 구조를 변화시켰습니다. 연구진은 얼음이 변하는 영역이 단 11일 만에 약 12퍼센트 성장했음을 측정했는데, 이는 에너지 펄스가 시스템을 통과해 나가는 직접적인 기록입니다. 팀은 이러한 적외선 관측을 라디오 데이터와 결합하여, 해당 작은 별이 정상적인 상태보다 수백 배 빠른 속도로 물질을 삼키고 있으며, 태양의 거의 천 배에 달하는 에너지를 방출하고 있다고 계산했습니다.

이 발견은 별이 성장하고 상호작요하는 방식에 대한 우리의 이해를 재정립합니다. 이는 붐비는 별의 유치장에서 한 작은 별의 활동이 이웃에게 극적인 영향을 미칠 수 있으며, 만약 우리가 거대한 별들만 관찰한다면 분출의 진정한 본질을 숨길 수도 있음을 시사합니다. 이 연구는 메이저 플레어라는 '신호등'이 거인들에게만 독점적인 것이 아니라, 숨겨진 저질량의 에너지 넘치는 분출에 의해 촉발될 수 있음을 보여줍니다. 이 사건을 현장에서 포착함으로써, 연구진은 클러스터 내의 가장 작은 별들조차도 주변 환경에 상당한 화학적, 물리적 변화를 일으킬 수 있으며, 이전에는 우리에게 보이지 않았던 역동적이고 상호 연결된 탄생 환경을 드러낼 수 있다는 것을 보여주었습니다.