우주 이야기 563 - 최초의 별은 생각보다 늦게 탄생했다?

(A summary of the almost 14 billion year history of the Universe, showing in particular the events that contributed to the Cosmic Microwave Background, or CMB. The timeline in the upper part of the illustration shows an artistic view of the evolution of the cosmos on large scales. Credit: ESA )​ 

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(Artist's impression of a portion in the timeline of the Universe, around the 'epoch of reionisation' – the process that ionised most of the material in the cosmos. Credit: ESA – C. Carreau )​

 유럽 우주국의 플랑크 위성의 관측 결과를 토대로 어쩌면 우리 우주에서 최초의 별과 은하가 생성된 것이 기존의 예상보다 좀 더 나중이었을 가능성이 제기되었습니다. 우리 우주가 어떻게 탄생하고 진화했는지는 우리가 왜 지금 여기에 있는지에 대한 가장 근원적인 질문입니다. 우주가 없으면 태양과 지구, 그리고 지구 생명체와 인류가 존재하지 못했을테니까요.

  우주는 탄생 초기에 매우 에너지와 물질의 밀도가 높은 뜨거운 상태였습니다. 이후 우주가 팽창함에 따라 우주의 온도가 내려가자 우리가 알고 있는 상태의 물질들이 등장하기 시작했습니다. 특히 빅뱅 이후 38만년 후에는 전자와 원자핵이 서로 만나 원자를 형성할 수 있을만큼 온도가 내려가 우주가 수소와 약간의 헬륨으로 가득차게 되었습니다. 이 시기부터 우주에서 빛이 직진할 수 있게 되었기 때문에 이를 우주의 맑게 갬이라고 부릅니다. 그리고 그 흔적으로 우주 배경복사(CMB)가 남아있습니다.  

  하지만 당시에도 우주의 대부분은 빈공간이었으며 별이나 은하가 탄생하기에는 수소 가스의 밀도가 매우 낮았습니다. 팽창하는 우주에서 중력에 의해 은하의 씨앗이 생기고 최초의 1세대 별이 탄생한 것은 적어도 이로부터 4억년 이후로 생각되고 있습니다.

  플랑크 위성은 우주 배경복사를 역대 가장 정밀하게 관측해서 우주의 물질 분포를 밝혀냈습니다. 그리고 CMB polarization (우주 배경 복사 편파)를 관측해 우주에 있는 입자들이 언제 이온화 과정을 거쳤는지 확인했습니다.

  우주에 있는 수소 가스의 대부분은 높은 온도로 인해 전자와 분리된 플라스마 상태입니다. 물론 우주에 별이 없고 어두웠던 시절에는 이런 상태의 가스가 별로 없었지만, 새로운 별이 탄생하고 우주가 뜨거워짐에 따라 다시 우주의 맑개 갬 이후 다시 재이온화(reionization)이 일어나게 되는 것이죠. 이 재이온화 과정은 우리가 보는 별과 은하의 탄생과 관련이 있습니다.

 플랑크 관측 결과는 재인온화 과정이 절반 정도 완료된 것이 빅뱅 후 7억년 정도이고 완료된 것은 9억년 정도라는 것을 말해주고 있습니다. 그렇다면 실제 최초의 별이 등장한 것은 예상보다 더 늦은 시기였을수도 있습니다.

 우주의 진화는 지금 오늘을 사는 우리와는 까마득하게 먼 과거에 일어났던 일이 아니라 현재도 진행중인 과정입니다. 이 과정을 이해하는 것은 과학이 해결해야 할 가장 근원적인 질문이라고 할 수 있습니다. 우주의 탄생과 진화를 알기 위한 노력은 계속될 것입니다.

 참고

Matthieu Tristram. Planck intermediate results. XLVII. Planck constraints on reionization history,Astronomy & Astrophysics (2016). DOI: 10.1051/0004-6361/201628897

Planck Collaboration. Planck intermediate results. XLVI. Reduction of large-scale systematic effects in HFI polarization maps and estimation of the reionization optical depth, Astronomy & Astrophysics (2016). DOI: 10.1051/0004-6361/201628890

 http://phys.org/news/2016-08-stars-previously-thought.html#jCp