(Students and researchers from Brown University, Curtin University and the UW building new antennas for the Murchison Widefield Array. On the far right is Nichole Barry, a UW doctoral graduate and current postdoctoral researcher at the University of Melbourne. In front of her is UW physics doctoral student Ruby Byrne. Credit: MWA Collaboration/Curtin University)
(Kangaroos at the Murchison Widefield Array. Credit: MWA Collaboration/Curtin University)
우주 초기에는 별이 없던 시기가 있습니다. 빅뱅 직후 우주가 팽창해서 전자와 원자핵이 만나 최초의 수소와 헬륨 원자를 형성하던 시점인 우주의 맑개 갬 현상에서 최초의 별이 형성된 재이온화 (Epoch of Reionization) 시점 사이의 시기를 우주의 암흑 시대 (Dark Age)라고 부르는데, 이 시기에 우주는 글자 그대로 빛을 내는 천체가 전혀 없는 어두운 시대였습니다. 이 시기는 대략적으로 빅뱅 직후 38만년에서 4억년 사이라고 할 수 있습니다.
우리가 알고 있는 우주 배경 복사 (CMB)는 우주의 맑개 갬 현상 시기 나온 빛입니다. 우주 배경 복사는 강한 신호로 지금도 우주 모든 방향에서 관측되기 때문에 연구에 어려움이 없지만, 암흑 시대에는 빛이 없기 때문에 관측을 통해 연구하기가 쉽지 않습니다. 여러 기관이 힘을 합쳐 호주의 사막에 건설한 거대 전파 안테나 어레이인 Murchison Widefield Array (MWA)는 이 신호를 관측하기 위해 대대적인 업그레이드를 마쳤습니다.
최근 MWA에 관련된 여러 대학 팀 (University of Washington, the University of Melbourne, Curtin University and Brown University)은 이전보다 10배 정도 감도를 높인 전파 데이터를 확보해 이를 분석하고 있습니다. 과학자들이 우주 배경 복사를 최초로 관측하기에 앞서 그 특징에 대해서 이론저으로 예측한 것과 같이 암흑 시대의 전파 신호에 대해서도 이미 이론적인 예측이 있습니다.
이 시기에는 빛이 존재하지 않기 때문에 오직 중성 수소 (neutral hydrogen)에서 나오는 전자기파만 존재합니다. 별이 생성된 후 나온 강력한 에너지에 의해 다시 재이온화를 거친 후에는 뜨거운 플라스마가 우주에 가장 흔한 입자가 되지만, 그전에는 중성 수소에 파장만 존재하는 매우 독특한 시기가 있었던 것입니다. 하지만 거의 130억년 전에 존재했던 이 신호는 다른 신호에 비해 약할 뿐 아니라 다른 잡음에 의해 가려지기 때문에 우주 배경 복사와 다르게 찾기가 쉽지 않습니다.
중성 수소에서 나온 전자기파는 21cm의 파장이지만, 현재 우주에 팽창에 따라 파장의 크기는 거의 2m 가까이 커졌습니다. 연구팀은 우주 극초기의 중성 수소 파장을 찾기 위해 지금도 데이터를 분석하고 추가로 수집하고 있습니다. 이 신호가 잡히는 날 우주에 대한 인류의 이해는 한 단계 더 나아갈 것입니다.
그건 그렇고 여담이지만, 캥거루의 모습을 보니 확실히 호주라는 느낌입니다. 혹시 MWA 안테나가 캥거루에게 피해를 주거나 반대로 캥거루가 안테나에 손상을 주지 않을까 하는 우려도 드는 데, 괜찮은지 모르겠네요.
참고
W. Li et al. First Season MWA Phase II Epoch of Reionization Power Spectrum Results at Redshift 7, The Astrophysical Journal (2019). DOI: 10.3847/1538-4357/ab55e4
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