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빅뱅 후 5억년 만에 이미 은하 있었다...133억년 전 초기은하 존재 입증

2018년 05월 17일 17:15

초기 우주에서 별과 은하의 탄생하는 과정에 대한 몇몇 가설이 있지만, 실제 관측을 통해 완전히 증명되진 않았다. 우주 대폭발(big bang, 이하 빅뱅)이후 약 1억 5000만 년에서 3억년 사이에 1세대 별들이 나타났다고 추측되고 있을 뿐이다.

 

언제 어디에서 최초의 별이 생겼으며, 그 별들이 형성한 은하가 어떻게 탄생했는지에 대한 과정은 여전히 우주의 수수께끼로 남아있다.

 

그런데 최근 미궁에 쌓인 초기 우주 속 은하 탄생 과정을 알 수 있는 증거가 포착됐다.  빅뱅 후 5억 년이 흐른 뒤 생겨난 초기은하의 존재가 입증된 것이다.

 

 

이미지 확대하기연구팀이 발견한 133억년전 은하의 모습이다.-ALMA  제공
연구팀이 발견한 133억년전 은하의 모습이다.-ALMA 제공

 

일본과 미국, 독일 등 국제 공동연구팀이 칠레에 있는 망원경을 통해 찾은 산소와 수소의 흔적이 빅뱅 이후 5억년이 흐른 시점인 133억년 전 초기 은하에서 나온 것임을 증명, 16일(현지시각) ‘네이처’에 발표했다. 이 은하는 MACS1149-JD1라 명명됐다.

 

연구팀은 칠레에 있는 세계 최대 전파망원경 알마(ALMA)를 이용해 지난 2012년 장파장의 빛을 발견했다. 이들은 적색편이 값을 분석, 이 빛이 약 133억 년 전 초기 우주 속 은하의 이온화된 산소에서 방출돼 먼 우주를 여행해 오면서 파장이 약 10배 길어졌다고 결론 내렸다. 약 6년 간의 분석과 검증 작업의 결과다.

 

적색편이는 물체가 내는 빛의 파장이 늘어나 보이는 현상이다. 빛을 내는 대상이 멀어질 때 주로 발생하며, 특히 외부 은하에서 발생한 빛의 적색편이는 우주팽창 때문에 생기는 것으로 알려져 있다. 허블의 법칙에 따라 은하가 우리로부터 멀수록 은하에서 출발한 빛이 많은 팽창 기간을 겪게 되고, 이 때문에 빛의 파장도 더 늘어나 적색편이 값은 증가한다.

 

이번에 연구팀이 찾은 산소에서 방출된 빛은 초기은하 연구의 매우 특별한 지표다. 빅뱅 시점부터 약 1억~2억년이 흐를 때까지 초기 우주에는 수소(원자번호 1번)와 헬륨(원자번호 2번)과 같은 원소들밖에 없었다. 학계에선 이런 원소가 특정 위치에 우연히 많이 모여있었고, 서로를 끌어당기며 뭉치면서 별을 이뤘으며, 이후 무거운 원소인 산소 등이 늘어나게 됐다고 추정한다.

 

산소는 현재 지구의 핵을 이루는 철에 비해 가벼운 원소로 취급되지만, 우주 초기에는 충분히 무거운 원소였다. 이 때문에 산소는 초기은하 형성에 필요한 핵심 요소로 꼽히는 지표다. 즉, 산소의 존재를 통해 주변에 물질이 많았으며 별들이 생성될 가능성이 높아 은하로 이어질 확률이 크다고 판단할 수 있다.

 

이번에 찾은 산소의 흔적은 적색편이 값이 9.11로, 현재까지 발견된 것 중 가장 먼 곳에서 온 것이었다. 연구를 이끈 일본 오사카산업대 환경과학및기술학과 타쿠야 하시모토 교수는 “빅뱅 후 5억년이 흐른 시점에 이미 MACS1149-JD1이 은하로 자리잡은 것”이라며 “천문학적 시간으로 따져보면 이보다 약 2억 5000만년 이전부터 이곳에서 별이 생기기 시작했을 것으로 추정된다”고 말했다.

 

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