여전히 수수께끼로 남은 첫 세대 별과 은하의 탄생시기.

 

 

Credit: ESA/Hubble, M. Kornmesser.
그림 1>
허블우주망원경을 이용하여 도출된 새로운 연구결과에 따르면 초기 우주의 첫번째 별들과 은하들은 기존의 생각보다 더 빨리 만들어진 것으로 보인다. 
천문학자들로 구성된 유럽의 연구팀은 빅뱅 후 10억년 이내의 우주에서 항성종족3(Population III stars)이라는 이름으로 알려진 첫 세대의 별들에 대한 증거를 발견할 수 없었다. 
이 상상화는 초기 우주를 그린 것이다. 

허블우주망원경을 이용하여 수행된 새로운 연구결과는 초기 우주에서 첫 번째 별과 은하의 생성이 예전에 생각했던 것 보다 훨씬 더 빨리 일어났음을 말해주고 있다. 
천문학자들로 구성된 유럽의 연구팀은 우주가 탄생한 후 5억 년밖에 되지 않았던 시점까지 조사를 진행한 결과 이른바 항성종족 III에 해당하는 첫 번째 세대의 별들에 대한 그 어떤 증거도 발견하지 못했다. 

우주에서 처음으로 탄생한 은하에 대한 탐사는 현대 천문학에 있어서 여전히 주요 도전과제로 남아 있다. 
우리는 우주에서 첫 번째 별들과 은하가 언제, 어떻게 만들어졌는지 알지 못한다. 
이러한 질문들을 허블우주망원경이 관측한 깊은 우주의 사진들을 통해 논의해볼 수 있다. 
허블우주망원경은 빅뱅 이후 5억 년 이내의 우주까지 들여다볼 수 있게 해준다. 

유럽우주국 라크하나 바타브데카(Rachana Bhatawdekar)가 이끄는 연구팀은 초기 우주의 첫 세대 별들에 대한 연구를 시작했다. 
항성종족3(Population III stars)[1]이라 알려진 이 별들은 빅뱅으로부터 만들어진 최초의 물질들로 만들어졌다. 
항성종족3의 별들은 수소나 헬륨, 리튬에 의해서만 만들어진 별들이다. 
이 원소들은 별들이 그 중심에서 이보다 무거운 원소들인 산소나 질소, 탄소나 철을 만들어 내기 이전에 이미 존재했던 원소들이다. 

바타브데카와 그녀의 연구팀은 MACSJ0416은하단과 허블우주망원경이 관측한 동일 방향의 연이은 영역을 연구하여 빅뱅이후 약 5억년에서 10억년 상관의 초기 우주를 연구하였다. 
(허블우주망원경의 관측 데이터는 NASA의 스피처우주망원경과 유럽남부천문대 초거대망원경의 조력을 받았다. )  
바타브데카는 이 기간에는 우주의 첫 세대 별인 항성종족3 별들에 대한 증거를 발견할 수 없었다고 말했다. 
이번 연구에서는 허블프론티어필드 프로그램(the Hubble Frontier Fields programme)의 일환으로 수집된 허블우주망원경의 WFC3와 ACS데이터를 이용하였다. [2]
2012년부터 2017년까지 6개의 은하단을 관측하는 것으로 진행된 허블프론티어필드 프로그램은  은하단과 은하들이 만들어내는 중력렌즈 효과를 이용하여 이전 관측보다 10배에서 100배까지 더 희미한 은하들을 관측함으로써 
가장 멀리 있는 은하들에 대한 관측을 이뤄낸 프로그램이다. 
앞쪽에 위치한 은하단의 거대한 질량은 훨씬 멀리 떨어진 곳에서 오는 빛을 구부리거나 확대하기에 충분한 중력을 만들어냈다.  허블우주망원경 관측은 바로 이러한 우주적 돋보기 현상을 이용하여 일반적으로 관측 가능한 이상의 천체를 연구할 수 있었던 것이다. 

 

 

 

Credit: NASA, ESA, and M. Montes (University of New South Wales, Sydney, Australia)
사진 1> 
이 사진은 허블우주망원경이 촬영한 MACS J0416 은하단의 모습이다.   
이 은하단은 허블프론티어필드 프로그램에 의해 연구된 6개 은하단 중 하나이다.  
허블프론티어필드 프로그램은 중력렌즈현상을 이용하여 가장 깊은 우주의 사진을 촬영해냈다.  
과학자들은 은하단 사이사이의 빛(사진에서 파란색으로 보임)을 이용하여 은하단 내의 암흑물질분포를 연구하기도 한다.

또한 바타브데카와 그녀의 연구팀은 중력렌즈 현상을 만들어내는 앞쪽 은하들의 밝은 빛을 제거하는 새로운 기술도 발전시켰다. 
이러한 기술을 이용하여 빅뱅 이후 10억년 이내의 우주에서 예전에 관측했던 것보다 질량이 적은 새로운 은하들을 발견해낼 수 있었다. 
관측결과와 같이 이 시점의 우주에서 특정 항성종족의 증거가 부족하다는 점과 질량이 크지 않은 은하들이 많이 있다는 사실은 결국 이 은하들이 우주의 재이온화를 이끈 주인공이었을 가능성이 크다는 점을 말해준다. 
초기 우주의 재이온화 시기린 우주공간의 중성 매질이 첫번째 별들과 은하들에 의해 이온화 된 시기를 말한다. 

바타브데카의 설명은 다음과 같다.
"이번 연구 결과는 보다 심오한 천체물리학적 과정을 말해주고 있습니다. 
즉, 은하들이 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 일찍부터 생성되었음을 말해주고 있는 것이죠. 
또한 이번 연구결과는 초기 우주의 가볍고 희미한 은하들이 재이온화를 수행했을 거라는 가설도 강력하게 지지해 주고 있습니다." 

이번 연구결과는 또한 가장 빨리 탄생한 별과 은하들이 허블우주망원경이 관측 가능한 시점보다 훨씬 더 일찍부터 만들어졌음을 시사하고 있다.[3] 
이렇게 미해결과제로 남은 최초의 은하에 대한 연구는 제임스웹우주망원경으로 이어져 계속될 것이다.

각주 
[1] 항성종족3이라는 이름이 붙은 이유는 이미 항성종족1과 항성종족2가 분류된 상태에서 이름이 붙었기 때문이다.
항성종족1은 우리 태양과 같이 무거운 원소를 풍부하게 담고 있는 별들을 말한다. 항성종족2는 미리내 팽대부와 헤일로, 구상성단에서 주로 발견되는, 태양보다는 상대적으로 가벼운 원소들을 가지고 있는 늙은 별들을 말한다. 

[2] 우주의 팽창으로 인해 머나먼 은하에서 출발한 전자기스펙트리럼 상의 자외선 및 가시광선 대역은 적외선 대역으로 밀려나게 된다. 허블우주망원경에 장착된 광대역카메라3, 즉 WFC3는 이 부분의 스펙트럼을 포착해내는 장비이다. 
또한 ACS는 가시광선 관측에 최적화되어 있는 장비이다. 

[3] 이러한 연구 결과들은 바타브데카와 동료들이 제출한 2019년 논문에 기초를 두고 있다. 

이번 논문은 236차 전미천문학회 기자회견에서 발표되었으며 왕립천문학회 월보(the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, MNRAS)에 개재될 예정이다. 

 

출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2020년 4월 28일 Science Release

        https://www.spacetelescope.org/news/heic2010/

Hubble Makes Surprising Find in the Early Universe