젊은 우주의 조숙한 은하…131억년 전 은하서 ‘먼지’ 발견

가장 오래된 은하 중 하나에서 우주 먼지가 처음으로 발견됐다. 이 먼지는 초기 우주 형성에 관한 비밀을 풀 결정적 단서가 될 것이라고 천문학자들은 말한다.

덴마크 코펜하겐대 다라흐 왓슨 박사가 이끄는 천문학 연구팀이 유럽남방천문대(ESO)의 초대형망원경(VLT)에 설치된 관측 장비 ‘X-슈터’와 칠레 아타카마 사막에 있는 알마(ALMA) 망원경의 데이터를 사용해 관측 사상 가장 먼 은하 중 하나인 ‘A1689-zD1’을 분석했다.

그 결과, 이 은하는 예상보다 훨씬 빨리 진화한 것으로 나타났다.

특히 이 은하는 우리 은하와 같은 매우 성숙한 은하와 비슷할 정도의 먼지를 포함하고 있었다. 이런 먼지는 별과 행성을 이루는 복잡한 분자의 형성에 도움이 되므로 생명 존재의 기초가 되기도 한다.

천문학자들이 가장 먼 은하 중 이 은하를 조사 대상으로 선택한 이유는 중력 렌즈 효과 때문. 이 은하와 지구 사이에는 거대 은하단 ‘아벨 1689’가 있어 이 은하의 밝기는 9배까지 증폭된다. 만일 중력 렌즈 효과를 이용할 수 없었다면 너무 멀리 있어 희미한 이 은하에서 빛을 감지할 수 없었을 것이다.

우리가 지금 보고 있는 이 은하의 모습은 약 131억년 전으로 우주의 나이가 아직 약 7억 살(현재 5%)밖에 되지 않았을 때의 것이다. 이 은하는 비슷한 시기 다른 은하와 비교하면 질량은 물론 밝기도 작다. 그러므로 이 시대의 평범한 은하를 보고 있는 것으로 간주한다.
　
이 은하는 ‘우주의 재이온화’ 중에 있는 은하로 여겨진다. 우주의 재이온화는 중성이었던 우주가 초기 별들의 빛에 의해 이온화돼 우주의 암흑시대가 끝났음을 알리는 현상이다. 이 시기의 은하를 관측하므로 연구팀은 신생아 같은 은하의 모습이 보일 것으로 예상했으나 뜻밖에 화학적으로 복잡하고 다량의 먼지를 포함하고 있는 것이 포착된 것이다.

왓슨 박사는 “초대형망원경(VLT)을 사용해 이 은하까지의 거리를 측정한 뒤 똑같은 천체가 알마 망원경으로 관측되고 있었다는 것을 깨달았다. 많은 기대를 하지 않았지만 우리는 알마 망원경이 그 은하를 관찰하고 있었을 뿐 아니라 제대로 전파를 감지하고 있었다는 것을 알고 매우 흥분했다”며 “알마 망원경의 주요 목표 중 하나는 초기 우주의 차가운 가스와 먼지의 방출 중에서 은하를 찾는 것으로, 우리는 바로 그것을 발견하게 된 것”이라고 말했다.

알마 망원경의 관측으로 우주의 '아기'라고도 말할 수 있는 이 은하는 의외로 조숙하다는 것을 알게 됐다. 이 나이의 은하는 일반적으로 수소와 헬륨보다 무거운 원소(금속)가 적은 것으로 예상됐다. 무거운 원소는 별의 내부에서 생산돼 별이 폭발하거나 다른 형태로 죽음을 맞이할 때 광범위하게 흩뿌려진다. 탄소, 산소나 질소와 같은 무거운 원소가 충분한 만들어지려면 별이 몇 세대에 걸쳐 이 과정을 반복해야 한다.

놀랍게도 A1689-zD1은 원적외선으로 매우 밝고 이 은하에서 이미 많은 별이 태어나 이에 따라 상당한 양의 금속을 생성한 것을 보여줬다. 또 먼지가 검출됐을뿐 아니라 가스와 먼지의 비율이 더 성숙한 은하와 비슷한 수치를 나타내고 있는 것도 알게 됐다.

왓슨 박사는 “이 은하 먼지의 정확한 기원은 명확하지 않지만, 우리의 발견은 우주에서 별의 형성이 시작된 뒤 불과 5억 년 이내에 먼지 형성이 매우 빠르게 일어나는 것을 보여준다”며 “대부분 별의 수명이 수십억 년임을 생각하면, 이는 매우 짧은 시간 동안 생긴 일이라고 말할 수 있다”고 말했다.

이 발견은 A1689-zD1가 빅뱅 뒤 5.6억 년이 경과 한 이후 지속적으로 일정한 비율로 별을 형성해왔거나 아주 짧은 사이에 극단적인 스타 버스트(폭발적 항성) 시기를 맞이한 뒤 별 형성 활동이 약해진 것일 수 있다.

이 관측 결과가 나올 때까지 천문학자들은 이런 방법으로 매우 먼 은하를 발견하는 것은 불가능한 것이라고 우려하고 있었지만, A1689-zD1는 알마 망원경에 의한 단시간 관측에서 검출된 것이다.

이번 연구에 참여한 스웨덴 찰머스공과대의 키르스텐 크누센 부교수는 “이 놀라운 먼지가 많은 은하는 너무 서둘러 첫 번째 세대의 별을 만든 것 같다. 앞으로 알마 망원경에 의해 이런 은하를 더 많이 발견할 수 있고 그들이 왜 그렇게 서두르며 살고 있는지 이해할 수 있게 될 것”이라고 설명했다.

한편 이번 연구성과는 세계적인 학술지 네이처(Nature) 2일 자에 실렸다.

사진=NASA/ESA/L. Bradley(Johns Hopkins University)/R. Bouwens(University of California, Santa Cruz)/H. Ford(Johns Hopkins University)/G. Illingworth (University of California, Santa Cruz)

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr