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2014년 2월 11일 화요일

우주 이야기 216 - 가장 오래된 별이 알려준 초기 우주



 여러차례 본 블로그를 통해서 말씀드린 것 처럼 과학자들은 멀리 떨어진 은하를 찾기 위해서 노력하고 있습니다. 왜냐하면 멀리 떨어진 은하일수록 오래전의 은하이기 때문이죠. 빛이 오는 데 걸린 시간을 생각하면 10 억년 떨어진 은하를 관측하면 10 억년 전의 은하의 모습을 포착한 것과 같습니다. 그렇지만 별의 경우에는 초신성이 아닌 다음에야 100 억 광년 전의 모습을 이런 방식으로 포착하기는 매우 힘듭니다. 은하 단위의 천체라도 이 정도 거리에서는 작은 점으로 보이기 때문이죠. 


 가장 오래된 별들을 관측하기 위해서 과학자들은 다른 방법을 사용합니다. 사실 별 가운데는 나이가 매우 오래되어 빅뱅 초기에 생성된 것으로 보이는 별들이 존재합니다. 이렇게 아주 오래된 별을 찾아내면 사실 우리 은하계 안에서도 빅뱅 초기 형성된 별에 대한 단서를 잡을 수 있습니다. 물론 실제로 그 당시의 모습을 볼 수 없다는 단점은 있지만 대신 지구에서 비교적 가까운 거리에서 연구를 할 수 있다는 장점이 있습니다. 


 이전에도 우주의 나이 논쟁을 일으킬 만큼 나이가 많은 별들을 소개드린 바 있지만 ( http://jjy0501.blogspot.kr/2013/03/145.html  참조) 이번에는 지구에서 비교적 가까운 거리인 6000 광년에서 우주 초기에 형성된 것으로 보이는 나이든 별을 발견했다는 소식입니다. 그 나이는 빅뱅이 일어난 137 억년에 거의 근접한 것으로 보입니다. 


 오스트레일리아 국립 대학 (Australian National University ) 스테판 켈러 박사 ( Dr Stefan Keller of the ANU Research School of Astronomy and Astrophysics) 를 비롯한 연구자들은 호주에 설치된 SkyMapper 망원경을 통해서 남쪽 하늘을 관측하던 중 SMSS J031300.36-670839.3 이라는 매우 오래된 별을 발견했습니다. 


 SkyMapper 망원경은 이름처럼 밤하늘의 지도를 작성할 목적으로 만든 망원경으로 북반구에서 북쪽 밤하늘의 우주 지도를 그리고 있는 SDSS 와 비교될 수 있는 망원경입니다. (물론 작동 원리 및 목적은 다소 차이가 있습니다. SDSS 에 대해서는  http://jjy0501.blogspot.kr/2012/08/103.html 참조) 1.35 미터 정도로 구경은 크지 않지만 대신 2억6800 만 화소의 CCD 를 이용해서 한번에 많은 영역을 촬영할 수 있습니다. 또 자외선에서 근적외선 영역까지의 6 개의 파장 필터를 통해 별의 스펙터럼 데이터를 수집할 수 있습니다.



(스테판 켈러 박사와 SkyMapper 망원경의 모습   Dr. Stefan Keller with the SkyMapper telescope.
Credit: Image courtesy of The Australian National University


 SMSS J031300.36-670839.3 은 SkyMapper 망원경이 첫해 관측했던 6000 만개의 별 가운데 하나로 사실상 이를 찾아낸 것은 건초더미에서 바늘 찾기나 다름없는 작업이었다고 연구팀은 언급했습니다. 이들이 찾은 것은 스펙트럼 분석을 통해서 금속 성분, 특히 철의 함유량이 극도로 낮은 별이었습니다. 


 우주 극초기에 형성된 종족 III (population III, 여기에 대해서는 이전 포스트 참조 http://blog.naver.com/jjy0501/100175101041 ) 별은 사실 지금 관측하기 힘듭니다. 이 별들은 곧 초신성 폭발을 일으킨 후 이후 형성된 별들에게 별의 원료를 제공하고 사라졌습니다.  SMSS J031300.36-670839.3 은 이 다음 형성된 별로 생각되는데 덕분에 철을 비롯한 금속의 함량이 극도로 낮습니다. 


 우주 초기에는 수소와 헬륨 외의 원소는 거의 볼 수 없었습니다. 이보다 무거운 원소들은 대부분 별 안에서 발생한 핵융합 반응과 초신성 폭발의 결과물로 생겨난 것입니다. 따라서 이런 원소들은 빅뱅 이후 시간이 지남에 따라 증가하므로 우주에서 나중에 형성된 별들일 수록 이런 무거운 원소들이 다량으로 존재할 것입니다. 반대로 우주 초기에 형성된 별은 금속의 함량이 매우 낮을 것입니다.


 이번에 발견된 SMSS J031300.36-670839.3 의 경우 철의 함량이 태양과 비교해서 천만분의 1 수준으로 적었습니다. 하지만 탄소의 함량은 이에 비해서 상대적으로 1000 배 이상 높은 것으로 나타났습니다. 연구팀은 이것이 매우 중요한 포인트라고 생각하고 있습니다. 


 아마도 초기에 형성된 원시 초신성들은 지금과 비교해서 낮은 에너지의 초신성 폭발을 일으킨 것으로 보이며 이 안에서 생성된 철의 대부분은 초신성 폭발과 함께 생겨난 블랙홀 들로 상당수 흡수된 것으로 보인다고 연구팀은 생각되고 있습니다. 폭발 에너지가 낮은 점 때문에 내부에 있는 무거운 원소들이 충분히 배출되지 못하고 블랙홀로 흡수된 것으로 추정됩니다.  


 SMSS J031300.36-670839.3 자체는 사실 빅뱅 직후 생긴 1 세대 별이 아니라 2 세대 별입니다. 하지만 그 구성 성분을 분석하므로써 우리는 1 세대 별이 어떤 특징을 가지고 있는지 추정할 수 있습니다. 이 2 세대 별은 1 세대 별의 잔해에서 생겨난 것이기 때문이죠. 마치 자식을 보면 부모를 아는 것과 비슷한 이치라고 할까요. 아무튼 이 오래된 별은 아주 오래전 우주에서 있었던 일을 우리에게 알려주고 있습니다. 


 이 연구는 Nature 에 실렸습니다. 


 참고 


Journal Reference

1. Keller, S. C.; Bessell, M. S.; Frebel, A.; Casey, A. R.; Asplund, M.; Jacobson, H. R.; Lind, K.; Norris, J. E.; Yong, D.; Heger, A.; Magic, Z.; Da Costa, G. S.; Schmidt, B. P.; Tisserand, P. (9 Feb 2014). "A single low-energy, iron-poor supernova as the source of metals in the star SMSS J031300.36−670839.3". Nature (Nature). doi:10.1038/nature12990. Retrieved 10 Feb 2014.




  

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