제임스웹 우주망원경(JWST) 초기 관측에서 발견된 빅뱅(Big Bang) 수억 년 후의 거대은하들은 실제로 거대한 게 아니라 어린 은하에서 폭발적으로 형성되는 별들의 섬광 때문에 밝게 보이는 것이라는 연구 결과가 나왔다.

미국 노스웨스턴대 클로드-앙드레 포셰-기게르 박사팀은 과학저널 '천체물리학 저널 레터스'(Astrophysical Journal Letters)에서 최신 컴퓨터 시뮬레이션으로 빅뱅 직후 은하가 어떻게 형성됐는지 모형화해 이런 결론을 얻었다고 밝혔다.

현재 인류가 보유한 가장 뛰어난 천체관측 장비인 제임스웹 망원경은 초기 관측에서 빅뱅 후 6억 년밖에 안 된 시점의 어린 은하에서 총질량이 태양의 100억~1천억 배나 되는 거대은하 6개를 발견해 학계에 충격을 줬다.

▲ 폭발적으로 형성되는 별 섬광으로 밝게 빛나는 초기 우주의 어린 은하 상상도. 시뮬레이션 데이터로 재구성한 초기 우주의 어린 은하 상상도. 연구팀은 제임스웹 우주망원경(JWST) 초기 관측에서 발견된 빅뱅(Big Bang) 수억년 후의 거대은하들은 실제로 거대한 게 아니라 어린 은하에서 폭발적으로 형성되는 별들의 섬광 때문에 밝게 보이는 것이라고 설명했다. 별과 은하는 밝은 흰색 점, 퍼져있는 암흑 물질과 가스는 보라색과 빨간색으로 표시돼 있다.

일부 과학자들은 이런 어린 은하에 빅뱅 직후 형성됐다고 보기에는 너무 밝고 거대한 은하가 있다는 것은 갓난아기가 몇 년 만에 어른으로 성장한 것과 같다면서 기존 우주론의 표준모델 수정 필요성을 제기하기도 했다.

포셰-기게르 박사는 "초기 우주의 이런 은하들은 예상보다 훨씬 밝았기 때문에 큰 놀라움이었다"며 "이들 은하는 빅뱅 후 10억년 이내, 소위 '우주의 새벽'(cosmic dawn)에 형성되기에는 너무나 커 보였다"고 말했다.

연구팀은 이 연구에서 노스웨스턴대와 캘리포니아공대(CalTech), 프린스턴대, 샌디에이고 캘리포니아대(UC 샌디에이고) 공동 프로젝트인 '상대론적 환경 피드백'(FIRE) 시뮬레이션을 활용해 초기 우주의 은하 형성 과정을 모형화했다.

이 연구에는 플랫아이언연구소 컴퓨터 천체물리학센터, 매사추세츠공대(MIT), 데이비스 캘리포니아대(UC 데이비스) 등이 공동 연구자로 참여했다.

FIRE 시뮬레이션은 천체물리학 이론과 최신 알고리즘을 결합해 은하 형성을 모형화하며, 이를 통해 은하가 어떻게 형성되고 성장하며 모양이 변하는지를 조사하고 별에서 돌아오는 에너지, 질량, 운동량, 화학 원소 등을 설명할 수 있다.

연구팀은 시뮬레이션을 통해 초기 우주 거대은하들이 실제로는 질량이 그렇게 크지 않으면서도 거대은하처럼 밝게 빛날 수 있음을 발견했다고 밝혔다.

은하의 밝기는 보통 질량에 의해 결정되지만 JWST가 발견한 밝은 은하들은 질량이 그렇게 크지 않지만 불규칙하고 폭발적으로 형성되는 별들로 인해 거대은하처럼 밝게 빛날 수 있다는 것이다.

초기 우주를 모형화한 시뮬레이션 결과 어린 은하에서는 별이 일정 속도로 형성되지 않고 짧은 시간에 급격히 증가하는 '폭발적 별 형성'(bursty star formation)이 일어나는 것으로 나타났다.

연구팀은 폭발적 별 형성에서는 많은 별이 한꺼번에 형성된 후 수백만년 간 별 형성이 매우 적어지고 다시 많은 별이 형성되는 패턴이 반복된다며 폭발적으로 형성되는 별에서 방출되는 섬광 대문에 은하가 질량에 비해 훨씬 밝게 빛날 수 있다고 설명했다.

또 시뮬레이션을 통해 우주의 새벽에 존재할 수 있는 밝은 은하의 수를 예측한 결과 실제로 JWST에 관측된 밝은 은하 수와 일치하는 것으로 나타났다.

포셰-기게르 박사는 "이 연구는 초기 우주의 어린 은하들이 믿을 수 없을 정도로 거대해 보이는 이유를 설명할 뿐 아니라 기존 우주론 표준모델로도 우주의 새벽까지 이 정도 밝기를 형성하는 데 아무 문제가 없음을 보여준다"고 말했다.

이어 "폭발적 별 형성은 질량이 작은 은하에서 흔히 일어나지만, 그 이유는 여전히 연구 주제"라며 "폭발적으로 형성된 별이 수백만년 후 초신성이 돼 폭발하고 그 가스가 다시 새 별이 되는 주기를 형성하는 것으로 보인다"고 덧붙였다.

과학팀  press@jeonpa.co.kr

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