(왼쪽: F115W(파란색), F277W(녹색), F444W(빨간색) 필터를 사용하여 구성한 JWST/NIRCam의 전체 영역 RGB 이미지. 흰색 상자는 초신성 2023aeaf의 위치를 나타냅니다. 오른쪽 위: 왼쪽 패널의 상자 영역에 해당하는 초신성과 배경 은하를 확대한 RGB 이미지. 청록색 직사각형은 프리즘 분광 관측에 사용된 JWST/NIRSpec 마이크로 셔터 어레이(MSA) 슬릿의 방향과 위치를 보여줍니다. 오른쪽 아래: 오른쪽 위 패널에 표시된 초신성+배경 은하 이미지에서 템플릿 이미지를 빼서 만든 차이 이미지로, 초신성 2023aeaf의 일시적인 방출을 강조합니다. 출처: Valeria Aparicio 외, The Astrophysical Journal (2026). DOI: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ae884f)
제임스 웹 우주 망원경이 지금까지 확인된 가장 멀리 떨어진 초신성 폭발을 관측했습니다. 초신성 SN 2023aeaf는 적색편이 3.195로 거리로 따지면 117억 광년 거리입니다. 이는 빛이 지구까지 약 117억 년 동안 이동해 온 것으로 117억 년 모습이라는 점을 의미합니다.
우주가 탄생한 직후 우주에는 별과 은하가 존재하지 않았습니다. 그러다가 빅뱅 이후 4억 년 뒤 첫 별이 생성되면서 우주가 다시 밝아지기 시작했습니다. 당시에는 지금보다 우주의 밀도가 높고 가스가 풍부해 거대한 질량을 지닌 별이 다수 생성됐습니다. 이들은 짧는 생애를 마치고 초신성 폭발로 생을 마감하면서 수소와 헬륨보다 무거운 원소를 대량으로 생성했습니다.
하지만 아무리 밝은 초신성 폭발이라도 100억 광년 이상 멀리 떨어진 극초기의 초신성 폭발은 너무 희미해 관측이 어려웠습니다. 제임스 웹 우주 망원경은 가장 강력한 성능을 지닌 망원경으로 JADES 및 COSMOS-Web과 같은 심층 영상 관측을 통해 이러한 초기 초신성 폭발 카탈로그를 확장해 왔습니다. 그리고 COSMOS-Web 관측을 통해 천문학자들은 초신성 SN 2023aeaf를 발견했습니다.
우리 몸을 구성하는 탄소, 산소, 질소 같은 무거운 원소들은 모두 별의 중심에서 핵융합 반응이 의해 생성된 것으로 특히 우주 초기에 대량으로 공급됐을 것입니다. 하지만 천문학자들이 확인한 초신성 폭발은 대부분 그렇게 오래되지 않은 것들이라 우주 초기에 초신성 폭발과 물질 생성 비율이 달랐을지 알기 어려웠습니다.
하와이 대학교 천문학 연구소의 발레리아 아파리시오와 동료들은 초신성 SN 2023aeaf를 분석하여 이 질문에 대한 단서를 얻었습니다. 초신성 SN 2023aeaf의 시간에 따른 밝기 변화 패턴(광도 곡선)과 색 변화를 시뮬레이션된 초신성 집단과 면밀히 비교한 결과, II형 초신성으로 확인됐습니다.
II형 초신성은 질량이 큰 별이 핵연료를 모두 소진하고 철 핵이 자체 중력으로 붕괴될 때 발생하는 폭발입니다. 별이 죽을 때 수소가 풍부한 외피층이 온전하게 남아 있기 때문에 스펙트럼에서 수소선이 나타납니다. 연구팀은 이러한 분류의 확률이 97.2%임을 확인했습니다.
연구팀은 초신성 폭발의 배경 은하 스펙트럼도 분석했습니다. 그 결과, 이 은하는 젊고 활발하게 별을 형성하는 왜소 은하이며, 무거운 원소의 비율이 상대적으로 낮다는 것을 확인했습니다. 이는 예상과 일치하는 결과입니다.
다음으로 연구팀은 STELLA라는 특수 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 폭발 과정을 모델링해 초신성이 초기에 비정상적으로 뜨겁고 푸른색을 띠었다는 사실을 발견했습니다. 이는 폭발파가 별이 죽기 직전에 방출한 밀집된 가스 껍질에 부딪히면서 발생한 현상으로 풀이됩니다.
비록 데이터가 제한적이긴 하지만, 연구팀은 이 초신성 폭발이 태양 질량의 약 12배에 달하는 원시별이 태양 질량의 약 절반 정도 되는 주변 물질에 둘러싸인 상태에서 폭발했다는 해석이 가장 타당하다고 밝혔습니다. 다만 시간 간격이 있는 몇 차례의 관측만으로는 폭발하는 별의 세부적인 특성을 정확하게 파악할 수는 없었다고 덧붙였습니다.
적색편이 3 너머에서 발견된 초신성 표본의 규모는 작지만 점차 증가하고 있습니다. 앞으로 표본이 늘어나면 과학자들은 우주 초기에 물질이 어떻게 생성되는지에 대한 더 정확한 그림을 그릴 수 있게 될 것입니다.
참고
Valeria Aparicio et al, Analysis of a Type II Supernova Candidate at z = 3.19 from JWST's COSMOS-Web Survey, The Astrophysical Journal (2026). DOI: 10.3847/1538-4357/ae884f
Journal information: Astrophysical Journal
https://phys.org/news/2026-08-jwst-reveals-ii-supernova-universe.html
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