지금까지 발견된 은하 가운데 가장 멀리 있으며 빅뱅(Big Bang) 후 3억년밖에 지나지 않은 초기 우주에 있는 은하에서 성숙한 단계의 은하에서 발견되는 무거운 원소인 산소가 확인됐다.

이탈리아 피사 스쿨라 노르말레 수페리오레(SNS)의 스테파노 카르니아니 교수팀과 네덜란드 레이던 천문대 산더르 스하우스 연구원(박사 과정)팀은 21일 각각 과학 저널 천문학과 천체물리학(Astronomy and Astrophysics) 및 천체물리학 저널(The Astrophysical Journal)에 이 같은 연구 결과를 공개했다.

이들 연구는 각각 칠레 아타카마 사막에 있는 대형 전파망원경 '아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 집합체'(ALMA)의 'JADES-GS-z14-0' 은하 관측 데이터를 분석, 스펙트럼에서 산소 존재를 확인한 것이다.

두 연구팀은 나이가 3억 살밖에 안 된 초기 우주의 은하에 산소가 있다는 것은 이 은하가 예상보다 훨씬 더 화학적으로 성숙했음을 시사한다며 이는 초기 우주에서 은하가 얼마나 빨라 형성되었는지 다시 생각하게 만든다고 말했다.

JADES-GS-z14-0 은하는 지난해 제임스 웹 우주망원경(JWST)을 통해 발견된 은하로 134억 광년 떨어져 있어 지금까지 확인된 은하 중 지구에서 가장 멀다. 우주가 현재 나이의 약 2%에 해당하는 3억살일 때 모습을 담고 있는 셈이다.

은하는 보통 수소(H)와 헬륨(He) 등 가벼운 원소로 이루어진 어린 별로 가득한 상태로 시작된다. 별이 진화해 핵융합이 일어나면서 산소 등 무거운 원소가 만들어지고, 핵융합 원료가 소진되면 초신성 폭발 등으로 구성 물질이 흩어져 다른 천체의 재료가 된다.

JWST 등 관측 성능이 뛰어난 망원경들이 점점 더 먼 초기 우주의 은하를 발견하고 있으며, 천문학자들은 초기 우주는 아직 너무 어려서 산소 같은 무거운 원소가 있는 은하는 존재하기 어려울 것으로 추정해왔다.

그러나 두 연구팀이 ALMA의 JADES-GS-z14-0 관측 데이터를 분석한 결과 이 은하에는 산소 등 무거운 원소가 예상보다 10배 정도 더 많이 있는 것으로 나타났다.

천문학과 천체물리학 논문 제1 저자인 카르니아니 교수는 "초기 은하에서 산소를 발견한 것은 은하 진화의 첫 단계에 대한 새로운 시각을 열어주는 예상치 못한 결과"라며 "이는 유아기 우주에 이미 성숙한 은하가 있다는 증거로 은하가 언제, 어떻게 형성됐는지에 대한 의문을 제기한다"고 말했다.

천체물리학 저널 논문 제1 저자인 스하우스 연구원은 "아기들만 있을 것으로 예상한 곳에서 청소년을 발견한 것과 같다"면서 "이는 은하가 매우 빠르게 형성됐고 빠르게 성숙하고 있음을 보여 주며, 은하 형성이 예상보다 훨씬 빠르게 일어나고 있다는 증거는 점점 더 많아지고 있다"고 덧붙였다.

◆ 출처 : Astronomy & Astrophysics, Stefano Carniani et al., 'The eventful life of a luminous galaxy at z = 14: metal enrichment, feedback, and low gas fraction?', https://aanda.org/10.1051/0004-6361/202452451

The Astrophysical Journal , Sander Schouws et al., 'Detection of [OIII]88µmin JADES-GS-z14-0 at z=14.1793'