빅뱅 후 10억 년 동안 왜 우주는 투명해졌을까

빅뱅과 함께 우주가 시작되고 얼마 되지 않았을 때, 별과 은하 사이의 우주(주로 수소)는 매우 불투명하여 에너지가 넘치는 별빛은 이를 투과할 수 없었다. 그러나 빅뱅 이후 10억 년이 지나자 우주는 완전히 투명해졌다. 이를 재이온화의 시대(Era of Reionization)라고 부른다.

천문학자들은 오랫동안 왜 갑자기 우주가 투명해졌을지에 대한 궁금증을 해결하기 위해서 이론적으로 예측하고 관측을 시작했다. 그리고 제임스 웹 우주망원경의 새로운 관측 결과는 그 질문에 대한 정확한 답을 제공해 주고 있는 듯하다. 결론부터 말하자면 은하의 별들이 주변의 가스를 가열하고 이온화하기에 충분한 빛을 방출하였고, 이를 통해서 짧게는 수백만 년에서 수억 년에 걸쳐 우주의 전체적인 시야를 깨끗하게 해주었기 때문이다.

재이온화 시대 (Era of Reionization)

스위스 취리히 연방공과대학교의 사이먼 릴리 교수(Prof. Simon Lilly)가 이끄는 "EIGER(Emission-line galaxies and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization: 팀 홈페이지 바로가기)" 연구팀의 이번 연구 결과는 우주가 극적인 변화를 겪은 '대폭발 시대'로 알려진 시기와 재이온화에 대한 새로운 통찰을 제공해주고 있다.

ΛCDM 모형을 기반으로 재이온화는 우주 탄생 후 약 4~9억 년 후까지 진행되었다고 예측되며, 이를 적색편이 값으로 환산하면 대략 z ~ 5 에서 최대 13 정도 된다. (관련 기사 바로 보러 가기 - "제임스 웹, 재이온화 및 렌즈 효과에 대해서 자세히 연구하다") 그리고 연구팀이 제시한 새로운 결과는 이에 대한 관측 증거를 정확히 제시해주고 있다. 현재까지는 재이온화의 원인에 대한 이론적인 예측만 있었을 뿐 확실한 증거가 없었기 때문에, 제임스 웹 이전에는 무엇이 원인인지 정확히 알지 못했다. 따라서, 제임스 웹은 천문학의 새로운 교과서가 되어주고 있는 셈이다.

위 사진에서는 제임스 웹의 근적외선 카메라(NIRCam)로 촬영한 퀘이사 J0100+2802를 중심으로 먼 우주의 모습이 드러나고 있다. 특히 연구팀은 근적외선 카메라(NIRCam)의 기존 이미지와 같은 장비의 광시야 슬릿리스 분광 모드의 데이터를 결합하여 관측된, 즉 모든 천체의 스펙트럼을 제공해줄 수 있는 제임스 웹만이 가능한 데이터를 이용했다.

맨 위 사진에서 북쪽 및 동쪽 나침반 화살표는 하늘에서 바라볼 때의 이미지의 방향을 나타내며 아래에서 볼 때는 화살표가 반전되어야 한다. 스케일바는 약 1 분각 (1/60도) 정도를 나타낸다. 특히 위 이미지는 우리 눈에 보이지 않는 적외선으로 관측한 우주를 가시광선으로 나타내주고 있는 사진이다. 아래 도표에서의 필터 이름 색상은 빛을 수집할 때 사용된 NIRCam 필터를 나타내주며, 예를 들면 파란색, 녹색 및 빨간색은 각각 1.15, 2, 그리고 3.65 마이크로미터 (F115W, F200W 및 F365W)의 NIRCam 데이터에 할당된 색상이다.

릴리 교수의 연구팀은 우주가 완전히 투명하지도 불투명하지도 않은, 다양한 상태의 가스가 뒤섞여 있던 재이온화 시대가 끝나기 직전의 시기(5.3 < z < 6.9; 즉 우주가 9억 년밖에 되지 않았을 때 존재했던 일련의 은하들의 관측)를 관측하기 시작했다. 관측팀은 이에 제임스 웹을 퀘이사(매우 밝은 활동성 초질량 블랙홀) J0100+2802를 관측하기 시작했으며 퀘이사(사진에서 제임스 웹 특유의 회절스파이크와 함께 작고 분홍색으로 관측된 천체)와 망원경 사이의 가스를 중점적으로 관측했다. 이를 통해서 다른 가스 뭉치를 통과하며 우리 쪽으로 이동하던 퀘이사의 빛이 불투명한 가스에 흡수되거나 투명한 가스를 통해 자유롭게 이동했음을 알게 되었다. 연구팀의 이러한 획기적인 결과는 제임스 웹의 데이터와 하와이에 있는 W. M. Keck 천문대, 칠레에 있는 유럽 남부 천문대의 대형 망원경(Very Large Telescope), 그리고 라스 캄파나스 천문대의 마젤란 망원경이 관측한 퀘이사의 데이터를 결합했기 때문에 가능했다. 즉, 여러 다른 파장과 다른 능력의 망원경 협력을 통해 퀘이사의 빛이 이동한 가스의 구성과 상태에 대한 광범위한 정보를 제공하고 있는 것이다.

이 후 위 퀘이사 근처의 은하를 식별하고 은하들이 일반적으로 반경 약 2백만 광년의 투명한 영역으로 둘러싸여 있음을 확인했다. 이는 제임스 웹이 재이온화 시대가 끝날 무렵 주변 공간을 정리하고 있는 과정에서의 은하를 관측했다는 것을 의미한다. 이 은하들이 정리한 영역은 대략 우리 은하와 가장 가까운 이웃인 안드로메다 사이의 공간과 거의 비슷한 거리이다. 다만, 위 은하들은 우리 주변의 은하들보다 훨씬 더 복잡하다. 제임스 웹의 관측에 따르면 위 은하들은 활발하게 별을 형성하고 있었으며, 많은 초신성의 탄생을 야기 시켰을 것이라고 예측되고 있다.

연구팀의 첫 번째 논문을 이끈 일본 나고야 대학의 다이치 카시노 (Dr. Daichi Kashino) 박사는 제임스 웹이 은하 주변에서 이러한 투명 영역이 발견되는 것을 보여주고 있으며 위 영역의 크기까지 자세히 알려주고 있다고 설명했다. 즉, 은하가 주변 가스를 얼마나 재이온화하고 있는지 보여주고 있는 셈이다. 이 투명한 가스 영역은 은하와 비교해도 훨씬 더 거대하다. 연구팀의 저자들에 의한 표현에 따르면 이는 마치 완두콩이 매달려있는 열기구와 비슷하다고 한다. 상대적으로 작은 은하들이 전리 현상을 일으켜 주변 공간의 광대한 영역을 깔끔하게 정리하기 시작했으며, 이후 수억 년 동안 이 투명한 '거품'은 계속해서 점점 더 커지고 결국 합쳐지며 우주 전체를 투명하게 만들었다는 것이다.

미항공우주국의 표현에 따르면, 이는 헤드램프를 장착한 동굴 다이버들이 컴컴한 바위 속 동굴을 탐험하는 것과 비슷하다고 한다. 동굴 위의 초원에 앉아 있어도 동굴의 존재를 완전히 인식하지 못할 가능성이 큰데 이는 동굴 탐험가들과 동굴 사이의 바위들이 헤드램프의 불빛을 차단하기 때문이다. 이를 초기 우주의 조건에 적용하되 암석을 가스로 전환시켜보면 간단하다. 하지만 더 많은 헤드 램프가 제공된다면 상황은 달라질 것이다.

퀘이사의 질량도 유추하다

또한 연구팀은 위 관측 과정에서 퀘이사의 블랙홀이 태양 질량의 100억 배에 달하며, 이는 초기 우주에서 현재 알려진 가장 거대한 블랙홀이라는 것을 확인했다. 제임스 웹의 민감도는 퀘이사의 빛이 중력 렌즈 현상을 유발하거나 이를 통과하지 못했음을 확인했기에 보다 정확한 질량을 유추할 수 있었다. 하지만 연구팀은 여전히 퀘이사가 우주 역사 초기에 어떻게 그렇게 커질 수 있었는지 설명할 수 없었다. 이는 또 다른 관측을 통해서 풀어야 할 제임스 웹의 숙제와도 같다.

연구팀은 재 이온하 시대에 존재했던 은하 수십 개를 발견할 것으로 예상했지만, 순식간에 117개나 찾아낼 수 있었다고 밝히며 제임스 웹이 이미 우리의 기대치를 쉽게 넘었음을 설명했다. 또한, 연구팀은 제임스 웹의 첫 번째 결과가 너무도 확실하고 선명했기에 이를 먼저 공개했지만, 곧 퀘이사 주변의 5개 은하들을 추가 분석할 예정이다.

관련 논문 바로 보러 가기 - "EIGER팀의 첫번째 결과: 5.3<z<6.9에서 [OIII]를 방출하는 은하들과 이들에 의한 국부적 재이온화의 직접적인 증거 (EIGER I. a large sample of [OIII]-emitting galaxies at 5.3<z<6.9 and direct evidence for local reionization by galaxies)"