우주 이야기 512 - 131억년 전의 산소를 발견하다.

(Light from ionized oxygen detected by ALMA is shown in green. Light from ionized hydrogen detected by the Subaru Telescope and ultraviolet light detected by the UK Infrared Telescope (UKIRT) are shown in blue and red, respectively. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NAOJ )​

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 천문학자들이 131억년 전에 형성된 것으로 보이는 산소의 증거를 발견했습니다. 빅뱅 직후 생성된 대부분의 원소는 수소와 약간 헬륨으로 이보다 무거운 원소라고는 미량의 리튬외에는 없었습니다. 현재 존재하는 이보다 무거운 원소들은 모두 별의 중심에서 핵융합 반응의 결과물로 탄생한 것입니다. 예를 들어 우리의 태양 역시 오랜 세월이 지난 후에는 헬륨을 태워서 산소와 탄소 같은 더 무거운 원소를 만들 것입니다.

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  그런데 태양 같은 별이 산소를 생성하기 위해서는 상당히 오랜 세월이 필요합니다. 다행히 큰 별일수록 핵융합 반응이 기하급수적으로 많이 일어나 빠르게 원소를 생성하고 짧은 수명을 마감합니다. 따라서 우주 초기부터 무거운 원소들이 존재할 수 있습니다. 이번에 관측한 산소 역시 마찬가지입니다.

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 국제 천문학자팀은 세계 최대의 전파 망원경인 ALMA를 이용해서 131억 광년 떨어진 은하인 SXDF-NB1006-2를 관측했습니다. 빅뱅이 발생한지 불과 7억년 된 은하지만, 이미 초기 생성되었던 거대 질량 별은 초신성 폭발을 일으켜 무거운 원소들을 생성한 상태입니다.

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 문제는 거리가 워낙 멀기 때문에 여기서 미량의 산소를 포착하는 일이 어렵다는 것입니다. 이번에 성공한 것은 ALMA의 성능을 극한까지 사용한 것은 물론 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 미리 후보를 선정한 덕분입니다. ALMA를 사용하려는 과학자는 많고 시간은 부족하므로 아무 은하나 모두 관측할 수 없기 때문입니다.

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(A color composite image of a portion of the Subaru XMM-Newton Deep Survey Field. The red galaxy at the center of the image is the most distant galaxy, SXDF-NB1006-2. Credit: NAOJ)

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(This diagram depicts the major milestones in the evolution of the Universe since the Big Bang, about 13.8 billion years ago. It is not to scale. The Universe was in a neutral state at 400 thousand years after the Big Bang and remained that way until light from the first generation of stars started to ionize the hydrogen. After several hundred million years, the gas in the Universe was completely ionized. Credit: NAOJ )

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 이번 관측에서 확인한 사실은 131억년 전 은하에 있는 산소의 비중이 현재 태양과 비교해서 10% 수준이라는 것입니다. 당연한 이야기지만, 오래된 은하일수록 아직 무거운 원소가 적어서 당연히 이런 원소의 비중이 작을 것입니다. 하지만 실제 관측을 통해서 이론을 확인하는 과정은 매우 중요합니다. 이번 관측으로 그 양을 측정한 것은 우주의 진화를 연구하는데 있어 적지 않은 의미가 있습니다.

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 빅뱅 직후 우주는 매우 뜨겁고 조밀해서 원자 보다 작은 소립자들만 존재했습니다. 그러던 것이 우주가 팽창하고 온도가 식으면서 점차 원자를 형성하기에 이르렀습니다. 하지만 주로 수소원자로 구성된 우주는 빛이 없어 어두운 상태였습니다. 이들이 뭉쳐 1세대 별이 탄생하면서 우주는 다시 빛나기 시작했습니다.

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 1세대 별의 빛은 다시 수소 원자를 이온화 시켰는데 이 사건을 재이온화(reionization)이라고 합니다. 이번 연구에서는 이 시기의 은하를 관측해 스펙트럼을 확인했다는 중요한 의미도 있습니다. SXDF-NB1006-2의 경우 재이온화가 매우 빨리 일어나 대부분의 가스가 이온화 된것을 확인했습니다.

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 우주 초기의 진화는 아직도 베일에 가려있습니다. 앞으로도 그 비밀을 밝혀내기 위한 연구가 계속될 것입니다.

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 참고

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   "Detection of an oxygen emission line from a high-redshift galaxy in the reionization epoch,"Science, DOI: 10.1126/science.aaf0714                                        

  http://phys.org/news/2016-06-scientists-distant-oxygen-universe.html#jCp     

 

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