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태초의 우주를 닮은 '구멍 은하' 발견

빅뱅 이후 우주 형성 과정 재현


[CBS노컷뉴스 감일근 기자]

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NASA의 갈렉스 자외선 탐사위성이 찾은 '스타버스트(starburst)은하' J0921. 허블우주망원경이 촬영한 이 이미지는 밀도가 높은 J0921 은하가 복사를 방출하고 있음을 보여준다. (사진 출처=NASA) NASA(미항공우주국)의 갈렉스(GALEX: 한국, 미국, 프랑스가 합작해 2003년 쏘아 올린 자외선 우주 관측위성) 자외선 관측위성이 태초의 우주를 꼭 빼닮은 은하를 발견했다.

J0921+4509로 명명된 이 은하는 초기 우주와 같은 모습으로 지금도 별이 폭발적으로 형성되고 있다.

허블우주망원경이 촬영한 이 은하의 이미지는 고밀도의 J0921가 많은 양의 복사를 방출하고 있음을 보여준다.

우리 은하와 인접한 이 고밀도의 압축은하는 초기 우주를 밝혀주는 데 필요했을 것으로 추정되는 많은 특징들을 보여주며 초기 우주의 모습을 재현하고 있다.

우리 은하로부터 약 30억 광년 떨어져 있으며 별이 만들어지고 있는 지역은 밀도가 높은 가스구름으로 둘러싸여 있다.

가스 내부의 구멍은 빅뱅 직후 초기 우주에서 어둠을 밝힌 사건과 매우 비슷한 형태로 복사를 방출하고 있다.

J0921+4509는 매년 태양의 약 50배 질량에 해당하는 별들을 만들어 내고 있다. 이는 우리 은하가 매년 생산하는 별의 숫자보다 33배 이상 많은 것이다.

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그래픽은 우주의 진화과정을 나타낸다. 최초의 별과 은하들은 빅뱅 이후 4억년 후에 탄생했다. (사진 출처=NASA) 다른 지역의 별들은 대부분 내부의 복사를 가둬 둔 상태에서, 별의 원료가 된 가스에 둘러싸여 있는 것과 달리 J0921은 복사가 외부로 방출될 수 있는 구멍을 갖고 있다. 이는 초기 우주와 매우 비슷한 형태다.

논문의 제1 저자인 존 홉킨스 대학 산차이타 보르사커는 "J0921은하 안에 밀도가 높은 지역에서의 별의 집적 현상은 폭발 형태의 피드백이 시차를 두고 발생하도록 만든다"고 설명한다.

빅뱅 후 수십만 년 동안 우주에 있는 수소 가스는 온도가 낮아지면서 양성자와 전자가 쌍을 이루어 중성수소화된다. 방사된 모든 복사는 중수소화되면서 빠르게 흡수돼 버리기 때문에 이 기간은 천문학자에게 암흑 상태로 보이고 관측이 불가능하다.

빅뱅 이후 2억~10억년 사이 라이만 연속계(Lyman continuum)로 알려진 복사가 수소를 재이온화시키며 전자를 방출하면서 우주는 다시 우리 눈에 보이게 된다.

재이온화 과정을 포함한 우주의 암흑시대는 직접적인 방법으로 연구할 수 없다. 대신 천문학자들은 J0921 은하와 같이 오늘날 그것과 비슷한 과정을 겪고 있는 물체를 찾아 관찰할 수 있다.

별이 폭발적으로 만들어지는 은하란 의미의 'starburst galaxies'는 우리 은하보다 33배 이상 많은 별이 만들어지는 J0921과 같이 이례적으로 많은 별이 탄생하는 은하를 말한다.

재이온화 시기에 중성 수소에서 전자를 분리하는 복사의 대부분은 별의 탄생에서 나온 것으로 생각된다. 섭씨 -262도까지 떨어지는 차갑고, 밀도 높은 구름 깊숙한 곳에서 별이 만들어진다. 이들 별은 복사를 방출하지만 별 주변의 가스구름에 의해 빠르게 흡수된다.

그러나, J0921 은하 속의 별들은 서로 매우 가까이 위치하기 때문에(은하의 지름은 650 광년에 불과하다) 복사와 은하 밖의 별에서 불어오는 바람에 의해 빠르게 데워지면서 이미 존재하는 작은 구멍들을 더욱 크게 만들어 이온화시키는 복사가 탈출할 수 있도록 만든다.

보르사커가 이끄는 연구진은 NASA의 허블우주망원경을 이용해 이 복사의 탈출 장면을 포착했다. 초기 우주에서 이처럼 탈출한 복사는 입자에 에너지를 공급해 암흑 우주로 만든 중성수소를 파괴했을 것으로 추정된다.

초기 우주에서 복사가 빠져나가게 하는 은하의 수는 많지 않았다. 과학자들은 복사를 방출하는 이들 소수의 은하의 빛이 먼 곳으로부터 지구까지 도달하는데 걸리는 시간차를 이용해 우주의 젊은 모습을 연구할 수 있다.

멀리 떨어진 우주의 어떤 물체를 보는 것은 시간을 거슬러 올라가는 것과 같다. 천문학자들이 보고 있는 빛은 그 빛이 어떤 물체로부터 처음 출발할 때의 모습을 담고 있다.

초기 우주의 은하들은 우리 은하로부터 거의 130억 광년 떨어져 있어 관찰하기가 매우 어렵다. 그러나 J0921는 단지 30억 광년 떨어져 있다. 이는 복사가 어떻게 탈출하는지에 대한 세부 정보를 보다 쉽게 얻을 수 있게 해준다.

이 은하 근처의 다른 두 은하도 복사를 방출하는 것으로 추정된다. 그러나 이들 은하가 방출하는 복사는 J0921의 10분의 1에 불과하다.

별을 폭발적으로 만드는 스타버스트 은하들(starburst galaxies)이 복사를 흘려보내는 것이 일반적인 현상은 아닌 것으로 생각되지만 보르사커는 다른 고밀도의 스타버스트 은하에서도 구멍은 공통적으로 존재하는 것 같다고 설명한다.

이는 바람을 통한 은하의 피드백이 어떻게 라이만 연속계(복사의 일종)가 탈출할 수 있는 상태로 이끌었는지를 보여주는 직접적인 증거라고 보르사커는 말한다.

이번 연구결과는 이번주 과학잡지 '사이언스'에 실렸다.

stephano@cbs.co.kr

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