최초의 별은 언제 만들어졌나
최초의 항성은 언제 생겨났을까요? NASA∙ESA 허블우주망원경이 초기 우주에 대한 놀라운 발견을 했습니다. 바로 초기 우주의 최초의 별과 은하의 형성이 이전에 생각했던 것보다 빨리 만들어졌을지 모른다는 사실인데요. 유럽의 천문학자 연구팀이 우주가 탄생한 이후 5억년 전까지 거슬러 올라가봤지만, 항성종족 III 항성으로 알려진 1세대 별에 대한 어떠한 증거도 발견하지 못했습니다.
최초의 은하가 언제 생성됐을까 하는 문제는 현대 천문학에서 중요한 도전으로 남아있습니다. 아직 인류는 우주 최초의 별과 은하가 언제 어떻게 형성됐는지 모릅니다. 이 질문들은 허블 우주망원경을 통해 통해 해결할 수 있을 것 같은데요. 허블 우주망원경은 빅뱅이 발생한 직후 5억년 이내의 우주를 다시 볼 수 있게 해줍니다.
유럽우주국(ESA)의 Rachana Bhatawdekar가 이끄는 유럽 연구팀이 초기 우주에서 1세대 별을 연구하기 위해 나섰는데요. 항성종족 III 항성으로 알려진 별들은 빅뱅으로부터 나온 수소와 헬륨, 리튬만을 포함하고 있을 뿐 별 내부에 핵반응을 만들 수 있는 산소나 질소, 탄소, 철과 같은 중원소는 들어있지 않습니다.
MACS J0416은하단 자세히 보았다
Rachana Bhatawdekar와 연구팀은 MACS J0416으로 알려진 은하단과 그 은하단의 평행지역(parallel field)을 연구하며 빅뱅 이후 약 5억년에서 10억년 사이의 초기 우주를 탐사했는데요. 이때 허블우주망원경을 이용했습니다. 또한 NASA의 스피처 우주망원경과 칠레에 있는 지상망원경인 초거대망원경 VLT(Very Large Telescope)으로부터 이를 뒷받침할 자료를 얻었습니다. Rachana Bhatawdekar는 "우리는 이 우주적 시간 간격 사이에서 1세대 별에 대한 어떠한 증거도 발견하지 못했다"고 전했는데요.
이러한 결과는 허블 우주망원경의 광대역카메라3(Wide Field Camera 3)와 탐사용 고성능 카메라(Advanced Camera)를 허블 프론티어 필드(Hubble Frontier Fields) 프로그램의 일부로 사용해 달성됐습니다. 이 프로그램을 통해 연구진들은 2012~2017년까지 6개의 먼 은하단을 관측했는데요. 은하단과 그 뒤에 있는 중력렌즈 효과(gravitational lensing effect)로 확대된 은하를 통해 가장 깊은 심우주를 관측할 수 있었습니다. 덕분에 이전에 관측된 것 보다 10배에서 100배정도 더 희미한 천체들이 모습을 드러났습니다. 전경에 있는 은하단 덩어리는 뒤쪽의 더 먼 천체로부터 오는 빛을 구부리고 확대시킬 수 있을 만큼 충분히 큽니다. 이러한 우주 확대경을 이용해 허블망원경은 자신의 운용능력을 뛰어넘어야 발견할 수 있는 천체들도 연구할 수 있는 거죠.
- 중력렌즈는 어떻게 작동할까?
중력은 빛의 경로를 휘게 합니다. 이는 1915년 아인슈타인의 일반상대성 이론으로 예측됐습니다. 아서 에딩턴(Arthur Eddington)은 1919년 태양의 개기일식 동안 중력렌즈 현상의 발현을 확인했습니다. 중력으로 인해 시공간이 휘어지며 발생하는 중력렌즈 현상을 이용하면 우리는 망원경 없이도 먼 우주의 많은 부분을 볼 수 있습니다. 먼 은하의 빛이 우리를 향해 이동하면서 그 빛은 가까운 곳에 위치한 은하를 지나면서 휘어지고 초점을 맞춥니다. 때때로 이것은 먼 은하의 왜곡된 호(arcs)를 만들기도 합니다. 때로는 여러 개의 이미지를 만듭니다. 중력렌즈는 확대경처럼 작동합니다. 우리가 볼 수 없는 우주의 일부를 확대할 수 있게 해줍니다.
연구팀은 이렇나 중력렌즈를 구성하는 밝은 전경은하(foreground galaxies)의 빛을 제거하는 새로운 기술을 개발했습니다. 이를 통해 그들은 우주가 탄생한 이후 10억년 이내일 때 해당하는 거리에 있던, 허블로 관측됐던 것보다 더 질량이 적은 은하들을 발견할 수 있었습니다. 우주적 시간으로 봤을 때 이 시점에서 항성종족에 대한 증거가 부족하고 질량이 낮은 많은 은하들이 확인된다는 건 이러한 은하들이 우주의 재이온화의 가장 유력한 후보라는 의견을 뒷받침해준다고 말합니다.
참고로 우주의 재이온화는 초창기 우주 전체를 떠다니는 기체의 성질을 근본적으로 변화시킨 핵심 사건입니다. 빅뱅 이후 38만 년이 지나 불덩어리는 충분히 식고 전자는 수소와 헬륨의 핵과 결합하며 우주 최초의 원자를 만들어냈습니다. 그러나 거기에는 수수께끼가 있습니다. 오늘날 천문학자들이 우주에 떠있는 수소를 관측할 때 전자가 튀어나가는 현상을 발견했습니다. 이것이 재이온화입니다. 우주를 재이온화할 수 있었던 건 고에너지의 자외선이 유일합니다. 그럼 이 자외선은 어디서 온 걸까요? 프랑크 관측위성에 따르면, 재이온화는 적색편이 값 z≈9에서 시작했습니다. 한 가지 가능성은 이 자외선이 최초의 항성에서 나왔을지도 모른다는 것이었습니다. 그래서 이 자외선은 우주가 탄생한 이후 불과 1억년 후에 형성되기 시작했을지 모른다고 추측했죠. 그런데 이번 연구로 우주를 재이온화시킨 강력한 후보가 생긴 것이죠.
Rachana Bhatawdekar는 "이러한 결과는 은하계가 우리가 생각했던 것 보다 훨씬 더 일찍 형성됐을 것이라는 걸 보여주기 때문에 천체물리학적으로 심오한 결과를 가져온다"며 "이는 초기 우주의 질량이 적은 희미한 은하가 재이온화의 원인이라는 생각을 강하게 뒷받침 한다"고 전했습니다. 이러한 결과는 허블우주망원경으로 조사할 수 있던 것보다 훨씬 더 일찍 최초의 별과 은하가 형성됐을 것이란 점을 시사합니다. 이는 향후 제임스 웹 우주망원경이 더 밝혀줄 것으로 보입니다.
이러한 결과는 Rachana Bhatawdekar이 Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 에 게재했던 논문과 <Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS)> 다음호에 게재될 논문을 바탕으로 작성됐습니다.
##참고자료##
June 22, 2020 at 12:30PM
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최초의 별, 생각보다 빨랐던 걸까 - 이웃집과학자
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