(An image of Reticulum II obtained by the Dark Energy Survey, using the Blanco 4-meter telescope at Cerro Tololo Inter-American Observatory. The nine stars described in the paper are circled in red. The insets show the very strong presence of barium, one of the main neutron capture elements the team observed, in three stars. Background image is courtesy of Dark Energy Survey/Fermilab. Foreground image is courtesy of Alexander Ji, Anna Frebel, Anirudh Chiti, and Josh Simon. Credit: Background image is courtesy of Dark Energy Survey/Fermilab. Foreground image is courtesy of Alexander Ji, Anna Frebel, Anirudh Chiti, and Josh Simon.)
우주가 처음 생성되었을 때 우주에 있는 원소는 대부분 수소와 약간의 헬륨, 그리고 아주 미량의 리튬 정도만이 존재했습니다. 그러나 별이 생성되고 핵융합 반응이 일어나면서 지금 우리몸과 지구를 구성하는 더 무거운 물질들이 형성되었습니다.
특히 탄소와 산소보다 더 무거운 물질이 생성되기 위해서는 태양보다 훨씬 큰 거성의 존재가 필요합니다. 마지막으로 아주 무거운 원소가 생성되기 위해서는 초신성 폭발과 같은 큰 에너지가 나오는 과정이 필요합니다. 철보다 무거운 물질은 오히려 핵융합 반응시 에너지를 흡수하기 때문입니다.
그런데 사실 천문학자들은 아연보다 훨씬 무거운 납이나 금 같은 원소가 어떻게 생성되었는지를 두고서 많은 논쟁을 벌였습니다. 이런 원소는 중성자 포획 (neutron capture)이라는 과정을 통해서 형성되는데 초신성 폭발을 통해서도 가능하지만 이보더 더 드물고 격렬한 폭발인 중성자성 충돌을 통해서 대량으로 생성될 수 있습니다.
과학자들은 이 원소들의 기원을 두고 60년간 논쟁을 벌였습니다. 그런데 최근 새로운 관측에서 중성자별의 충돌에서 기원되었을 가능성을 지지하는 결과가 나왔습니다.
MIT의 알렉산더 지(Alexander Ji of the Massachusetts Institute of Technology)가 이끄는 연구팀은 우리 은하 근방에 있는 작은 왜소은하에서 가장 밝은 별 9개를 관측해서 이와 같은 사실을 밝혀냈습니다.
많은 왜소은하들이 충돌이나 흡수라는 과정을 통해 물질을 빼앗긴 반면 이 새로운 왜소은하 - Reticulum II 라고 명명된 - 태초에 형성된 그대로 그 모습을 보존하고 있는 것으로 보입니다.
가장 흥미로운 사실은 이 은하가 생각보다 많은 무거운 원소들을 가지고 있다는 것입니다. 심지어 다른 왜소 은하의 수천배에 달하는 경우도 있었습니다. 이는 초신성 폭발로만 생성되었다고 보기는 어려운 수치라고 합니다.
이를 근거로 연구팀은 이 은하에 존재하는 상당수의 무거운 원소들이 실제로는 중성자별 충돌 같은 더 드문 사건을 통해 생성되었을 가능성을 제기했습니다. 이런 드문 경우는 두 개의 쌍성계가 차례로 중성자별이 되면서 일어날 수 있습니다.
비록 더 많은 연구가 필요하겠지만, 이번 연구 결과는 우리와 지구를 구성하는 원소 중 일부가 매우 드문 사건을 통해서 생성되었음을 시사합니다. 어쩌면 이와 같은 사건이 오래전 우주에서는 그다지 드물지 않았을 가능성도 있습니다.
만약 이것이 사실이라면 우리가 장신구로 쓰는 금같은 귀금속은 중성자별의 일부였을지도 모릅니다. 이것 역시 매우 흥미로운 이야기인데, 앞으로 더 연구가 필요할 것으로 보입니다.
참고
R-process enrichment from a single event in an ancient dwarf galaxy, Nature, DOI: 10.1038/nature17425
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