초기 우주 은하 산소 발견… 기존 진화 이론 '흔들'

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우주의 첫 은하들은 천천히 자라고, 천천히 진화했을 것이라는 게 지금까지의 정설이었다. 하지만 최근 134억 광년 떨어진 초기 우주의 은하에서 산소가 발견됐다. 우주가 태어난 지 불과 3억 년이 지났을 때 이미 성숙한 별의 흔적이 존재했던 것이다. 이는 지금까지 확인된 은하 중 가장 먼 곳에 있는 천체로, 이미 진화가 상당히 진행됐음을 보여준다.

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우주 가장 먼 곳에서 확인된 산소의 흔적

이탈리아 피사의 스쿨라 노르말레 수페리오레와 네덜란드 레이던 천문대 연구진은 최근, 지구로부터 약 134억 광년 떨어진 은하 JADES-GS-z14-0를 관측한 결과를 각각 국제 학술지에 발표했다. 이 은하는 2023년 제임스 웹 우주망원경(JWST)을 통해 처음 발견됐으며, 현재까지 인류가 확인한 가장 먼 은하 중 하나다. 당시 이 은하에서 방출된 빛은 우주가 지금 나이의 약 2%였던, 빅뱅 후 3억 년 무렵에 발생한 것이다.

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연구팀은 칠레 아타카마 사막에 위치한 ALMA 전파망원경을 이용해 이 은하의 스펙트럼을 분석했고, 그 안에서 산소의 흔적을 찾아냈다. 산소는 별이 수명을 다할 때 비로소 만들어지는 무거운 원소다. 수소와 헬륨 같은 가벼운 원소들만으로 시작된 우주는, 별들이 진화하고 폭발하며 점차 산소, 탄소 같은 무거운 원소들을 생성해왔다. 그렇기 때문에 은하에서 산소가 검출됐다는 건, 이 은하가 이미 여러 차례의 별 탄생과 죽음을 거쳤다는 의미다.

 

 

 

은하 JADES-GS-z14-0의 상상도. 이 은하는 빅뱅 후 약 3억 년 뒤 형성된 초기 우주의 은하로, 최근 관측에서 산소가 검출돼 주목받고 있다.

[사진= ESO / M. Kornmesser]

 

산소가 말해준 우주의 예상 밖 진화 속도

연구팀은 이 은하에 존재하는 산소의 양이 예상보다 10배 이상 많다고 보고했다. 이는 해당 은하가 단지 형성 초기 단계가 아니라, 이미 상당히 진화한 상태에 있음을 시사한다. 당시 우주에서는 이제 막 별이 생기기 시작했을 것으로 여겨졌기 때문에, 이 같은 결과는 기존 우주 진화 시나리오에 중요한 도전이 된다.

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스테파노 카르니아니 교수는 “초기 은하에서 산소가 검출된 것은, 은하가 어떤 과정을 통해 진화했는지를 다시 생각하게 만든다”고 말했다. 공동 연구자인 산더르 스하우스 박사과정 연구원도 “유아기 은하만 있을 줄 알았던 시기에 이미 청소년에 가까운 은하가 존재했다는 것은, 은하 형성 속도에 대한 기존 모델이 충분하지 않을 수 있다는 의미”라고 설명했다.

 

 

 

이미지 속 작은 사진은 전파망원경 ALMA로 촬영한 은하 JADES-GS-z14-0의 모습이다. 아래의 두 스펙트럼은 서로 다른 두 연구팀이 ALMA 데이터를 독립적으로 분석한 결과로, 모두 산소의 방출선을 확인했다. 이는 지금까지 관측된 것 중 가장 먼 거리에서 산소가 발견된 사례로, 당시 우주는 약 3억 년밖에 지나지 않은 시점이었다.

[사진= ALMA / ESO / NAOJ / NRAO / Carniani et al. / Schouws et al. / NASA / ESA / CSA / Webb / STScI / Brant Robertson (UC Santa Cruz) / Ben Johnson (CfA) / Sandro Tacchella (Cambridge) / Phill Cargile (CfA)]

 

초기 우주 은하 산소 발견- 다시 쓰는 우주 진화 시나리오

이번 연구는 초기 우주의 은하들이 생각보다 빠르게 성장하고 성숙했을 가능성을 제시한다. 제임스 웹 우주망원경과 ALMA처럼 정밀한 관측 장비의 발전으로, 이전보다 더 먼 우주의 데이터를 확보할 수 있게 되면서 기존 우주론 모델에 대한 검증과 재해석의 필요성도 함께 커지고 있다.

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앞으로 더 많은 초기 은하들에 대한 관측과 분석이 이뤄지면, 은하 형성과 진화에 대한 이해가 한층 정교해질 것으로 보인다. 이번 결과는 그 과정에서 주목할 만한 사례로, 우주 초기의 구조 형성을 설명하는 이론적 틀을 확장하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

 

 

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