우주 이야기 1316 - 우주 초기 재이온화의 빛을 관측한 제임스 웹 우주 망원경

 (JWST image of the Hubble eXtreme Deep Field (XDF) showing a zoom-in for two of the galaxies from the Epoch of Reionisation. The brightness of the two small images on the bottom left is produced by the H-alpha emission line. Credit: arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2301.10717)

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제임스 웹 우주 망원경의 주요 목표 중 하나는 극도로 관측이 어려운 우주 초기의 현상을 규명하는 것입니다. 멀리 떨어진 빛을 관측할수록 더 오래 전의 우주를 관측하는 것이기 때문에 제임스 웹 우주 망원경 이전의 허블 우주 망원경 역시 초기 우주를 관측하기 위해 아주 멀리 떨어진 지점을 관측했습니다.

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최근 네덜란드 흐로닝언 대학의 피에루이기 리날디 (Pierluigi Rinaldi of the University of Groningen)가 이끄는 국제 연구팀은 제임스 웹 우주 망원경의 중적외선 장치 (MIRI)를 이용한 MIRI European Guaranteed Time 관측에서 초기 우주의 재이온화기 (Epoch of Reionisation)의 빛을 포착했습니다.

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빅뱅 직후 우주는 뜨거운 입자들이 아직 원자를 이루지 않고 있는 상태로 팽창했습니다. 우주가 어느 정도 팽창한 후 온도가 내려가면서 원자핵과 전자가 만나 수소와 헬륨 원자를 형성했습니다. 그리고 한동안 시간이 흘러 별과 은하가 생성되면서 다시 뜨거운 기체가 재이온화되었습니다. 본격적으로 우주에 별 빛이 생겨나기 시작한 것입니다.

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재이온화기: https://blog.naver.com/jjy0501/222000370565

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현재의 별들은 주로 자외선 영역에서 빛을 내지만 초기 재이온화 시기에는 수소 원자에서 H-알파선을 내놓았을 것으로 여겨지고 있습니다. 이번 관측에서 과학자들은 수소의 전자가 N=3에서 N=2 상태로 내려올 때 나오는 발머 계열의 스펙터럼 선인 H-알파선을 확인했습니다. 적색편이 (Z)가 7이 넘는 원시 우주에서 최초의 별 빛을 확인한 것입니다.

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본래 H-알파 선의 파장은 가시광 영역인 656nm 정도이나 적색편이에 의해 파장이 길어져 중적외선 영역인 5.6 미크론 (마이크로미터) 파장에서 가장 밝게 관측됩니다. 연구팀은 이 H-알파선을 통해 초기 우주의 은하와 별의 생성에 대한 중요한 정보를 얻을 수 있을 것으로 보고 데이터를 분석하고 있습니다. 앞으로 후속 연구 결과가 주목됩니다.

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참고

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https://phys.org/news/2023-06-miri-instrument-jwst-h-alpha-emission.html

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P. Rinaldi et al, MIDIS: Strong (Hb + [OIII]) and Ha emitters at redshift z≃7−8 unveiled with JWST/NIRCam and MIRI imaging in the Hubble eXtreme Deep Field (XDF), arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2301.10717

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