(Artist’s visualization of an early galaxy and its surrounding gaseous environment. The orange structures represent metal-enriched gas being expelled from the galaxy, illustrating how young galaxies began dispersing heavy elements into their surroundings within the Universe’s first 500 million years. The visualization is based on publicly available FIRE-2 cosmological simulation data and is not a direct telescope image. Credit: Yongda Zhu)
우주가 태초에 생성되었을 무렵 우주에는 수소와 헬륨 이외의 무거운 원소는 거의 존재하지 않았습니다. 지금 우리 몸과 지구를 구성하는 무거운 원소들은 모두 별의 중심부에서 핵융합 반응이나 초신성 폭발을 통해 형성된 것입니다.
하지만 정확히 어느 시점부터 우주에 무거운 원소들이 공급되기 시작했는지는 확실치 않았습니다. 앨버타 대학교 천문학과 및 스튜어드 천문대의 박사후 연구원인 용다 주(Yongda Zhu)와 동료들은 제임스 웹 우주망원경을 이용해 우주 극초기의 원소를 연구했습니다.
우주 최초의 은하와 별들은 빅뱅 직후 불과 5억 년(현재 나이의 약 3%) 만에 형성되었습니다. 천문학자들은 오랫동안 이 어린 은하들을 둘러싼 가스의 대부분이 비교적 원시적인 상태로 주로 수소와 헬륨으로 구성되어 있었을 것이라고 예측해 왔습니다. 하지만 얀구팀의 연구 결과는 이 가정에 의문을 제기합니다.
최초의 별인 종족 III (Population III)가 생기기 전 우주는 암흑 상태였지만 별이 탄생하고 빛을 방출하면서 다시 가스가 이온화되는 재이온화 시기를 맞이하게 됩니다.
연구팀은 이 빛이 오래된 은하와 가스들을 통과하는 모습을 포착하기 위해 수백 개의 은하 스펙트럼을 수동으로 검색하여 탄소, 산소, 규소를 포함한 중원소의 존재를 나타내는 흡수 패턴을 가진 아주 멀리 떨어진 세 개의 은하를 찾아냈습니다.
이 은하들은 적색편이 7 이상으로 우주의 나이가 5억 년 밖에 되지 않은 우주 극초기의 빛이 통과하면서 남긴 스펙트럼 흡수선을 제임스 웹 우주 망원경으로 관측할 수 있었습니다. 흥미롭게도 이 흡수선들은 은하의 적색편이에 비해 "청색편이"를 보였는데, 이는 은하의 가스가 바깥쪽으로 이동하면서 산소, 탄소 및 기타 중원소를 은하간 공간으로 운반하고 있음을 나타냅니다.
관측 결과를 종합하면 우주의 나이가 5억 년 밖에 되지 않았을 때도 생각보다 무거운 원소들이 많았으며 이미 주변으로 무거운 원소들을 뿜어내고 있었습니다. 이는 우주 아주 극초기에 태양 질량의 수십 배에서 수백 배에 달하는 무거운 종족 III 별이 다수 탄생한 다음 수백만 년 이내에 초신성 폭발로 사라지고 무거운 원소를 대량으로 뿌렸을 가능성을 시사합니다.
따라서 우주에는 이미 초기부터 무거운 원소들이 많았으며 이것이 지난 수십 년 간의 노력에도 종족 III 별을 쉽게 포착하지 못한 이유일 수 있습니다. 종족 III 별이 매우 짧은 순간만 존재했고 이후에는 무거운 원소를 지닌 별들이 나타났기 때문입니다. 다시 말해 초기 우주는 우리가 생각했던 것만큼 원시적이지 않을 수 있습니다.
다만 이번 연구 결과는 단 세 개의 은하를 기준으로 한 것이기 때문에 성급한 결론을 내리기보단 더 많은 관측이 필요합니다. 그리고 차세대 망원경이 등장해 더 먼 과거를 본다면 신비에 가려진 존재인 종족 III 별 역시 모습을 드러내고 태초 우주의 별을 찾을 수 있을 것입니다.
참고
https://www.sciencedaily.com/releases/2026/09/260930225443.htm
Publication details
Early metal-enriched baryon cycling before the midpoint of cosmic reionization, Nature Astronomy (2026). DOI: 10.1038/s41550-026-02988-2
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