우주는 어떻게 시작되었을까?

머나먼 과거의 우주는 어떻게 생겼을까? 과연 우주의 첫 시작은 어떠했을까? 위 답을 찾고, 과거 우주에 관해서 완전히 이해하기 위해서는 아무리 적어도 수십 년이 걸릴 것이다. 하지만, 적외선에 극도로 민감한 제임스 웹 우주망원경 덕분에 우리는 그 답에 근접해가고 있다.

천문학자들은 발사 전 예측대로 제임스 웹 우주망원경 덕분에 우주에 대한 관점이 완전히 바뀌고 있다고 설명한다. 특히나 적외선 관측에 특화된 위 망원경은 머나먼 우주를 보여주며 우리가 이론적으로 예측하는 시점보다 별이 더 일찍 생겼을 수도 있음을 암시해주고 있다.

현재까지 공식적으로 가장 오래된 은하는?

제임스 웹 우주망원경 관측 이전 가장 오래된 은하는 허블 우주망원경에 의해서 관측된 큰곰자리의 불규칙 은하 GN-z11이다. 이는 현재까지 공식적으로 태양계에서 가장 멀리 떨어져 있는 은하로 알려져 있으며 관측된 적색편이 값이 11.09에 달한다. 이를 거리로 환산하면 대략 134억 광년으로, 우주 탄생 후 약 4억 년밖에 지나지 않은 시기의 은하이다.

천문학자들은 제임스 웹 우주망원경을 이용하여 오래된 천체들에서 빅뱅 이후 얼마 되지 않은 시간에 형성된 은하들에서만 나타나는 특징(주로 가벼운 원소들로 구성되며 낮은 질량을 가진 별들로 구성됨)을 잡아내며, 오래된 은하의 기록을 계속해서 경신하고 있다.

하지만 138억 년에 매우 근접했다고 예측되었던 은하 중 하나는 후대에 형성된 은하로 밝혀지는 등 오래되었다고 예측되는 은하들 중 상당수는 후속 연구가 더 필요한 것으로 알려졌다.

공식적으로 밝혀진 가장 오래된 은하보다 약 5천만 년 이상 오래된 초기 은하의 발견

로스앤젤레스 캘리포니아대학(UCLA)의 토마소 트레우 교수(Prof. Tommaso Treu)가 이끄는 국제 천문학 연구팀은 우주가 만들어진 후 약 3억 5천 년 정도 지난 시기의 은하인 GLASS-z12를 관측했다고 보고했다. (고해상도 이미지 바로 가기)

트레우 교수가 이끄는 연구팀은 제임스 웹 우주망원경을 이용하여 Abell 2744 (판도라 성단 Pandora's Cluster이라고도 불림) 은하단 주변에서 오래된 은하들을 포착했다. 오래된 은하들은 은하단 내부에 존재하지는 않으며 수십억 광년 뒤에 존재하고 있다.

(1)로 표시된 은하는 대략 빅뱅 이후 4억 5천만 년 후 시기의 은하이며 (2)로 표시된 은하는 빅뱅 이후 3억 5천만 년밖에 지나지 않은 시기의 은하이다. 두 은하 모두 138억 년 전에 발생한 빅뱅과 시간상으로 매우 가깝다. 특히 (1)로 표시된 길쭉한 은하는 우리은하에 비해서 매우 작은 크기를 보여주고 있다.

위 사진은 제임스 웹 우주망원경의 근적외선 카메라(NIRCam)로 촬영된 Abell 2744의 이미지와 함께 크기를 가늠할 수 있는 눈금막대(하늘을 바라볼 때 지구에서의 각도 측정값, arc second기준, 1도의 1/3600, 보름달의 각지름은 대략 0.5도임), 북쪽/동쪽 나침반 화살표는 하늘을 바라볼 때의 방향을 보여주고 있으며 위에서 아래를 바라볼 때는 방향이 반전된다. 또한, 색상은 빛을 수집할 때 사용된 NIRCam필터를 보여주고 있으며 각 색상은 해당 필터를 통과하는 적외선을 나타내는 데 사용된 가시광선 색상을 나타낸다.

사실 위 은하는 지난 7월 은하단 ‘아벨(Abell) 2744’ 의 가장자리에서 발견된 은하이다. 발견 당시에는 z = 13.1의 더 높은 적색편이를 갖는 것으로 예측되었기 때문에 ‘GLASS-z13’이라는 이름으로 명명되었지만, 후속 연구 결과 위 은하의 적색 편이는 대략 z = 12.4(+0.1-0.3)으로 밝혀져 ‘GLASS-z12’라고 재명명되었다. 위 은하는 가장 오래된 은하였던 GN-z11에 필적한다고 예측되고 있는 GLASS-z10과 함께 발견되었다. (관련 기사 바로 가기)

연구팀은 극도로 민감한 NIRCam 장비가 우주에 대한 관점을 완전히 뒤바꾸고 있다고 설명하며, 빅뱅 이후 불과 몇억 년 후 존재하던 천체의 발견은 위 은하의 시작 시점이 생각보다 빨랐을 수도 있음을 암시해주는 결과라고 주장한다. 실제로 위 은하들이 존재하려면 빅뱅 뒤 불과 1억 년 만에 형성이 시작되어야 하는데, 이를 통해서 빛 한 점 없으며 가스와 암흑물질로만 구성되었던 우주의 암흑시대가 생각보다 훨씬 더 빨리 끝났음을 예측할 수 있다.

트레우 교수가 이끄는 연구팀은 이번에 발견된 두 은하가 매우 밝고 뜨거운 제3 종족(Population III) 별들로 이루어진 낮은 질량의 은하일 수도 있다고 예측했다. 이들은 별의 핵융합을 통해 생성되는 무거운 원소가 출현하기 전, 원시 수소와 헬륨으로만 구성된 1세대 별들이며, 아직까지 관측된 적이 없는 천체들이다.