(Massive Pop III stars reach the end of their lifecycles through supernova explosions, releasing a torrent of energy and ejecting the first heavy elements into the surrounding space. This process chemically enriches the once-primordial gas, fundamentally altering the conditions for subsequent star formation in the early universe. Credit: ASIAA/Ke-Jung Chen)
(The image depicts the cosmological structure during the period of the first star formation about 200 million years after the Big Bang. The gray structures illustrate the distribution of dark matter when the first stars form within some dark matter halos. The colorful spots represent stars with various masses, providing a visual representation of the complex processes shaping the early universe. Credit: ASIAA/ Ke-Jung Chen)
태초에 우주가 생겨났을 때 우주에 있는 원소는 수소와 헬륨이 전부였습니다. 그것도 수소가 대부분이기 때문에 사실상 무거운 원소가 전혀 없는 가벼운 수소 세상이었습니다. 물론 수소의 비중은 지금도 가장 높지만 빅뱅 직후 2억년이 지난 시점에서 종족 III 로 불리는 1세대 별이 생성된 이후에는 무거운 원소들이 생겨나기 시작합니다.
종족 III 별은 지금보다 가스 밀도가 높은 초기 우주에서 생성된 무거운 별로 짧은 생애를 마쳤습니다. 물론 마지막에는 초신성 폭발과 함께 무거운 원소를 대량으로 생산해 다음 세대의 별에게 넘겨줬습니다. 그리고 그 누적된 결과물로 지구가 있고 우리 인간이 존재할 수 있는 것입니다.
당연히 과학자들은 종족 III 별에 대해 많은 궁금증을 가지고 있지만, 남아 있는 종족 III이 있을 수 없는 관계로 아주 오래된 별의 물질 구성을 조사하고 초기 우주의 시뮬레이션을 돌려 어떤 형태의 별인지 연구해 왔습니다. 그런데 문제는 이 둘이 서로 맞지 않는다는 것입니다.
무거운 금속 성분이 매우 적은 별인 extremely metal-poor (EMP) 관측 데이터는 종족 III 별의 질량이 태양의 12-60배 정도일 것으로 추정하고 있습니다. 반면 시뮬레이션 결과는 50-1000배라는 결과를 내놓고 있습니다.
대만 ASIAA (Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica)의 과학자들은 미국 버클리 연구소의 슈퍼컴퓨터를 이용해서 매우 디테일한 고해상도 시뮬레이션을 시행했습니다.
그 결과 종족 III 별은 태양 질량의 22-175배 사이의 가스 덩어리에서 생성되어 최종적으로는 태양 질량의 8-58배 사이의 별로 성장하는 것으로 나타났습니다. 관측 결과와 일치하는 시뮬레이션 결과로 주목됩니다.
지금은 사라진 존재이지만, 종족 III 별이 만든 원소들은 지금 우리 몸 어딘가에도 있을지 모릅니다. 현재 우리를 구성하는 무거운 원소 가운데 얼마 만큼이 종족 III 별에서 생성되었을지 궁금합니다.
참고
https://phys.org/news/2024-04-supercomputer-simulations-decode-mass-puzzle.html
Ching-Yao Tang et al, Clumpy structures within the turbulent primordial cloud, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2024). DOI: 10.1093/mnras/stae764
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