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)

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.

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.

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.

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

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.

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.

참고

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

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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