[지식보관소] 기존의 가설을 뒤집을만한 제임스망원경의 충격적 관측결과

 

 

얼마 전 빅뱅 이후

3억 5천만 년이 지난 이후에 생성된 별들을 관측하는 데 성공한

제임스 웹 망원경은

기존의 빅뱅 이론으로 설명할 수 없는 금속을 발견했으며

이 내용은 arXiv에 게시가 되었습니다.

 

 

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현재 우리의 지구가 속해 있는 우리 은하는

약 75%의 수소와 24%에 달하는 헬륨으로 구성돼 있을 것으로 추정합니다.

수소와 헬륨을 제외한 원소는 단 2%도 안 될 정도죠.

 

하지만 지구에 살고 있는 우리의 주변은

대부분 금속으로 이뤄져 있습니다.

“아니 금속 말고도 질소나 탄소나 산소 같은 다른 원소들도 많은데?”라고

생각할지도 모르지만

천문학에서는 수소와 헬륨을 제외한 모든 원소를 금속이라고 부릅니다.

 

그만큼 우주는 사실상 수소와 헬륨이 대부분이기 때문이죠.

사실 이건 우주가 처음 탄생한 빅뱅 때에는 훨씬 더 심했는데

현재 우주론에 따르면

빅뱅으로 생겨날 수가 있었던 원소는

사실상 수소와 헬륨뿐이었으며

금속은 기껏해야 극미량의 리튬이나 베릴륨 정도만 만들어졌을 것으로 추정합니다.

 

그럼에도 지구 같은 암석형 행성에 금속이 많은 이유는

항성의 핵융합이나 초신성 폭발 같은 별들의 활동 덕분이죠.

 

태양은 현재 핵융합을 통해서

중심부의 수소를 헬륨으로 바꾸면서

사라진 질량만큼의 에너지를 만들어내고 있습니다.

 

하지만 약 50억 년 후에는

주계열성 단계가 끝나고

충분히 만들어진 헬륨으로 인해서 밀도가 높아져서

헬륨마저 핵융합이 가능한 밀도에 이르게 되는데

이때 태양은 지금보다 훨씬 더 뜨거워지며

적색거성 단계에 진입하게 되고

이 여파로 헬륨부터 산소 원자까지 만들어내게 되죠.

 

그리고 태양보다 더 큰 별은 주계열성 이후에

초신성 폭발을 통해서

핵융합으로 금까지 만들게 됩니다.

 

이렇게 우주가 막 만들어졌을 때에는

수소와 헬륨뿐이었지만

별들의 활동에 의해서

리튬부터 플루토늄에 이르는 무거운 원소들이 만들어지게 되었고

현재 우리는 우주의 역사 중에서

가장 금속이 풍부한 시대에 살고 있다고 볼 수도 있죠.

 

이는 반대로 말하면

과거로 가면 갈수록

금속은 부족해질 것이라고 추정을 해왔습니다.

뭐 지금까지는 말이죠.

 

얼마 전 빅뱅 이후, 3억 5천만 년이 지난 이후에

생성된 별들을 관측하는데 성공한 제임스 웹 망원경은

기존의 빅뱅 이론으로 설명할 수 없는 금속을 발견했으며

이 내용은 arXiv에 게시가 되었습니다.

 

앞서 얘기한 것처럼

수소와 헬륨을 제외한 원소들은

별의 활동을 통해서 만들어지며

실제로 오래된 은하로 거슬러 올라갈수록

금속의 비율이 낮아지는 특성을 보여왔습니다.

 

그리고 이론상 빅뱅 직후에 태어난 초기 세대의 별들에서는

수소와 헬륨 이외에

다른 원소가 거의 발견되지 않는 것이 정상이죠.

 

이렇게 사실상 수소와 헬륨만으로 이루어졌을 것으로 추정하는 초기의 별들을

population Ⅲ(3족) 별들이라고 부릅니다.

 

문제는 이러한 3족 별들이

이론상의 별들이라는 것입니다.

그 이유는

이론상 가능한 3족별을 관측하는 게 불가능하기 때문이죠.

 

예를 들어서

망원경으로 1만 광년 떨어진 별들을 관측하는 것은 어렵지 않지만

만약에 1억 광년 떨어진 별을 관측하려면

이 별은 1만 광년 떨어진 별보다 1억 배 이상 어둡기 때문에

관측이 사실상 불가능하죠.

 

대신에 1억 광년 거리에

별보다는 훨씬 더 밝은 은하가 있다면

어느 정도는 관측이 가능합니다.

 

문제는 이론상 금속의 함량이 없는 3족의 별들은

빅뱅 이후 약 5억 년 이내에 존재했기 때문에

거의 133억 광년 넘게 떨어진 별을 관측해야 하며

심지어 그렇게 멀리 떨어진 별의 원소비를 알아내는 건

불가능에 가까웠습니다.

 

하지만 최근에 맹활약을 펼치고 있는 제임스 웹 만원경에 있는

근적외선 장비 덕분에

빅뱅 직후 3억 5천만 년 만에 만들어진 은하,

즉 우리까지 빛이 날아오는데

134억 년이 걸릴 정도로 떨어진

은하의 원소비를 알아낼 수가 있는 기회가 생겼고

충격적인 사실이 발견이 되었는데

바로 이 은하에서 탄소가 발견되었기 때문이죠.

 

빅뱅 직후에 3억 5천만 년 된 은하에서는

현재 표준 모형의 우주론에 따르면

수소와 헬륨 이외에 다른 원소는 발견되지 않는 것이 정상입니다.

 

태양만 해도 최초의 핵융합 이후에

탄소 원자를 만들어내는 데까지

100억 년이 넘게 걸리는데,

고작 3.5억 년밖에 안 된 은하에서

검출될 만큼의 탄소가 존재하는 것은 매우 이상하죠.

 

물론 최초의 거대 질량 별들이 초신성 폭발을 하면서

탄소를 만들어냈을 수도 있지만

제임스 웹 망원경으로 발견되기에는

턱없이 부족한 양입니다.

 

134억 년 전에 이 우주 초기의 은하는

많은 양의 탄소와 약간의 산소와 내온 등이 있었는데

만약에 이러한 원 소비가 사실이라면

빅뱅 직후 수소와 헬륨만 있던 우주에서

핵융합 활동으로 수십억 년 동안 금속 원소들이 만들어졌다는

기존의 가설이 위협받을 수도 있겠죠.

 

물론 초신성 폭발이나 거성 단계에서도

AGB 별 같은 특수한 항성에 의해서 탄소가 생성될 수가 있지만

AGB 별도 3억 5천만 년 만에 만들어지는 것은

거의 불가능하다고 보고 있기 때문에

이런 원시 은하에서

탄소가 많이 있다는 건 이상한 일이죠.

 

물론 그렇다고 해서

기존의 표준 모형에서 추정한 우주론이

잘못되었다는 것은 아닙니다.

 

이번에 발견된 은하에는

퀘이사급의 초거대질량 블랙홀이 존재하는 것으로 보이고

이러한 강력한 블랙홀이 중원소들을 합성하는 데 얼마나 도움되는지는

우리가 예측하기가 힘듭니다.

 

또한 이번 은하에서 분광학적 증거를 찾기 위해서

65시간 이상이나 망원경을 노출시켰음에도

여기에서 얻은 데이터가

다른 좀 더 가까운 은어에서 나온 전자기파에 의해서

왜곡되었을 가능성도 남아있는 상태죠.

 

그 원인이 무엇이 되었든 간에

3족 항성들이 존재할 것으로 예상되는 초기 은하에서

금속 원자가 발견되었다는 것은

연구할 가치가 있습니다.

 

어쩌면 우주의 중간질량 블랙홀이

거의 존재하지 않는 원인의 해답과도 관련이 있을지도 모르죠.

 

제임스 웹 마원경은

향후에 또 다른 초기 은하의 원소비도 관측할 예정이기 때문에

앞으로 향후 연구가 매우 기대가 됩니다.

그럼 이만.