빅뱅 후 태어난 "1세대 별" 드디어 찾았다. 

가장 밝은 원거리 은하 CR7에서 빅뱅 후 태어난 1세대 별의 증거 포착

종족II의 별과 태초의 물질 사이의 종족III의 별로 추정

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유럽남천문대(European Southern Observatory)는 6월 17일 과학 뉴스[1]를 통해 지금까지 관측된 은하 중 가장 밝은 원거리 은하 CR7을 관측하였으며, 이 은하의 분광 관측 결과 이 은하에서 빅뱅 후 태어난 최초의 별(1세대 별)인 종족III 항성으로 추정되는 증거를 포착하였다고 발표하였습니다. 

가장 밝은 원거리 은하 CR7의 회화 작품 (관측 사진이 아님). 유럽남천문대

빅뱅 우주론에 따르면, 빅뱅에 의해 초기 우주에서는 수소와 헬륨 및 매우 적은 양의 리튬과 베릴륨 같은 가벼운 화학원소가 만들어졌습니다. 이것을 태초의 물질이라고 하겠습니다. 이후 우주 팽창의 결과 우주가 냉각되면서 더이상의 원소 합성은 이루어지지 않았기 때문에 이보다 무거운 원소는 초기 우주에는 존재하지 않았습니다. 초기 우주의 항성은 이와 같이 중원소*가 결핍된 태초의 물질이 뭉쳐지면서 탄생하였을 것입니다. 이러한 항성을 1세대 별, 또는 종족III의 별이라고 합니다. 따라서, 만약 우리가 1세대 별을 관측한다면 중원소의 흔적이 나타나지 않아야 합니다. 

수소 및 헬륨보다 무거운 원소, 다시 말해 중원소는 빅뱅 이후 항성 내부에서 일어나는 핵융합반응에 의해 합성되었고, 철보다 무거운 원소는 매우 무거운 별이 초신성 폭발을 일으킬 때 형성되어 우주에 공급되었습니다. 이처럼 항성 내부에서 일어나는 원소 합성을 항성 핵합성이라고 하고, 이와 비교하여 빅뱅에 의해 일어난 원소의 합성을 빅뱅 핵합성이라고 합니다. 우주의 물질은 빅뱅 핵합성에 의해 만들어진 태초의 물질에 항성 핵합성에 의해 만들어진 중원소가 추가되면서 그 화학조성이 조금씩 변해갔습니다. 따라서, 다음 세대의 별일수록 더 많은 중원소를 포함하게 됩니다. 

1940년대에 Walter Baade는 은하에서 관측되는 별들을 두 집단으로 구분하였습니다. 천문학자들은 이 집단을 종족(population)이라고 합니다. 이 두 집단 중 더 젊으면서 중원소를 상대적으로 더 많이 포함하는 집단을 종족I (Population I)이라고 합니다. 태양은 종족I에 해당합니다. 이후로 더 많은 연구가 진행되어 종족이 더 세분화되기는 하였지만, 천문학자들은 기본적으로 종족II (나이가 많으며 중원소를 적게 포함)와 종족I (더 젊고 중원소를 더 많이 포함)의 구분 체계를 유지해왔습니다. [2]

그러나, 중원소 함량이 가장 적은 종족II의 별마저도 빅뱅에 의해 형성된 태초의 물질에 비해 중원소의 함량이 너무 높다는 문제가 제기되었습니다. 따라서, 천문학자들은 태초의 물질과 종족II의 별 사이에 또 하나의 종족III이 있을 것이라고 생각하였습니다. 종족III은 순전히 태초의 물질로만 이루어진 별입니다. 그러나, 종족III의 별이 존재한다는 증거는 찾을 수 없었고, 이 때문에 종족III의 별이 존재하지 않는 원인에 대해서도 다양한 가설이 제기되어 왔습니다. [2]

포르투갈 리스본 대학의 데이비드 소브랄(David Sobral)이 이끄는 연구팀은 유럽남천문대의 VLT, NASA/ESA의 허블우주망원경 등을 활용한 연구에서 빅뱅 후 약 8억년이 지난 재이온화 시기에 형성된 은하들을 탐색하였습니다. 이러한 초기의 은하 중 가장 밝은 은하인 CR7을 유럽남천문대의 VLT와 Keck 천문대의 망원경를 이용하여 관측한 결과, 은하의 밝은 영역에서 중원소의 흔적을 찾을 수 없었습니다. 중원소의 흔적을 찾지 못했다는 것은 이 영역이 중원소를 포함하지 않는 항성 종족, 즉 종족III의 항성으로 이루어져 있다는 것을 암시합니다. 다시 말해, 이들의 연구는 이들이 1세대의 별을 발견했을 가능성이 높다는 것을 의미합니다. 연구팀은 이번에 관측된 천체를 '종족III 같은 항성 종족 (PopIII-like stellar population)'이라고 표현하고 있습니다. 한편, 우주 팽창에 의한 CR7의 적색편이량**은 z~6.6입니다. 

연구팀의 리더인 소브랄 박사는 이렇게 말합니다. [1]

이 연구를 시작하면서부터 예상치 못한 결과에 놀랐습니다. 이렇게 밝은 은하가 있으리라고 생각하지 못했었거든요. CR7에 대해 더 자세히 연구하면서 다시 한번 놀랐죠. 가장 밝은 원거리 은하를 관측했을 뿐 아니라 종족III의 별에서 관측할 수 있는 증거들이 속속 관측되었으니까요. 이런 종족III의 별이 중원소를 만들었기 때문에 결국 인류가 여기에 있을 수 있는 거잖아요. 이보다 더한 희열은 없을 겁니다. 

이들의 연구에 의하면 '종족III 같은 별 (PopIII-like)'은 밝은 은하에서 다른 종족의 별 틈에 섞여 있다고 합니다. 1세대의 별이라고 해서 가장 최초의 가장 어둡고 작은 은하에만 존재하는 건 아니라는 것입니다. 따라서, 이후에도 종족III 같은 별을 추가 발견할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 연구팀은 이 별들이 종족III의 별이라고 단정하기보다는 '종족III 같은 별(PopIII-like)'이라는 표현을 사용하고 있습니다. 이후 더 많은 연구가 진행되어 이러한 특성을 가지는 별들이 진정한 종족III의 별들인지 밝혀지기를 기대해봅니다. 

한편 이 은하의 이름인 CR7은 COSMOS Redshift 7을 줄임말입니다. CR7의 적색편이가 z~6.6이어서 7에 가까우므로 분명히 천문학적으로 의미가 있는 이름입니다. 그런데, 유럽남천문대가 지난 17일에 발표한 바에 따르면, 포르투갈 출신의 연구팀 리더인 소브랄 박사는 이 은하의 이름을 포르투갈의 세계적인 축구 스타 크리스티아누 호날두(Cristiano Roanldo)의 이름에서 착안하였다고 합니다. [4]

주석

* 천문학자들은 헬륨보다 무거운 원소를 일컬어 중원소(heavy elements)라고 합니다.

** 우주 팽창의 결과 은하들은 우리 은하에서 후퇴하고 있으며, 먼 은하일수록 더 빠르게 후퇴합니다. 후퇴하는 은하에서 방출되는 빛은 더 긴 파장 쪽(적색 쪽)으로 치우치는데, 이것을 적색편이라고 합니다. 적색편이량은 후퇴하는 은하의 스펙트럼선이 적색 쪽(더 긴 파장 쪽)으로 편이한 양을 의미합니다. 

작성 기록

초고 작성, 2015-06-19 12:08:08

기사 수정, 2015-06-20 14:22

중요 정정 사항

2015-06-19 17:00. "가장 밝고 가장 먼 거리의 은하"를 "가장 밝은 원거리 은하"로 정정합니다. 

참고문헌

[1] European Southern Observatory, Best Observational Evidence of First Generation Stars in the Universe, eso1524 - Science Release, http://www.eso.org/public/news/eso1524/ (published on 2015-06-17, accessed on 2015-06-19)

[2] Cosmos-The SAO Encyclopedia of Astronomy, Population III, Swinburn Astronomy Online, http://astronomy.swin.edu.au/cosmos/P/Population+III (accessed on 2015-06-19)

[3] 박종익 (2015). 빅뱅 직후 태어난 ‘1세대 별’ 사상 첫 관측 (ESO), 나우뉴스, [링크] (2015-06-18 10:57 입력, 2015-06-18 11:08 수정, 2015-06-19 방문)

[4] Dockterman, E. (2015). Astronomers Name Newly Discovered Galaxy After Cristiano Ronaldo, Time, http://time.com/3925649/cristiano-ronaldo-galaxy-astronomy/ (accessed on 2015-06-17)

[5] Sobral, D, Matthee, J., Darvish, B., Schaerer, D., Mobasher, B., Rottgering, H. J. A., Santos, S., and Hemmati, ㄴ. (2015). Evidence for PopIII-like Stellar Populations in the Most Luminous Lyman-α Emitters at the Epoch of Re-ionisation: Spectroscopic Confirmation, Accepted for publication in The Astrophysical Journal, June 4, 2015, [링크]

조영우

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