7개 초기은하로 밝혀진 우주탄생의 비밀
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2012-12-14 06:00 | CBS 감일근 기자
빅뱅으로 시작된 우주의 나이는 137억년으로 추정되고 있어 NASA가 공개한 초기 은하들은 우주 나이의 4%가 채 안됐을 때의 모습이다.
빅뱅 이론에 따르면 빅뱅 직후 우주는 매우 높은 에너지 상태에 있었기에 최초의 물질은 이온화 상태로 탄생했다. 이후 우주는 계속 팽창하며 온도가 낮아졌고, 그 결과 전자와 결합한 원자들의 중성 가스(중성수소가스)로 가득찬 암흑의 시대로 접어들었다. 이 때를 원시우주라고 하는데 별과 은하가 없고, 물질이 자욱한 안개처럼 퍼져 있는 캄캄한 상태의 우주라고 해서 "암흑 시대"라고 한다.
그러다가 우주 온도가 더 낮아지면서 별이 탄생하고, 이 최초의 별(항성)과 은하들은 우주 공간에 강력한 자외선을 방출했는데 이는 이후의 우주 진화 역사에서 매우 중요한 역할을 했다. 최초의 별과 은하가 방출한 자외선이 우주 공간의 온도를 크게 높이면서 우주는 다시 이온화의 과정을 겪게 된는데 이를 "재이온화(reionization)"라고 한다.
재이온화 시기는 빅뱅 이후 2억~10억년 사이로 추정한다. 이 과정을 통해 우주는 수소 가스의 안개가 걷히고 자외선이 투과할 수 있게 돼, 지금처럼 빛에 투명하게 되었다.
그런데 천문학계에서는 초기 은하 속의 뜨거운 별들이 빅뱅 직후 만들어진 차가운 수소를 데울 수 있을 만큼 과연 충분한 복사에너지를 제공할 수 있었는지에 대해 오랜 기간 논쟁을 벌여왔다.
이번 연구를 통해 빅뱅 이후 약 4억5천만년이 지나면서 은하의 숫자가 확연히 감소한 사실이 밝혀졌다. 이는 은하들이 주변 은하와 서로 결합한 결과이며, 이 과정에서 엄청난 복사에너지를 제공해 수억 년 후 재이온화할 수 있는 에너지를 제공한 것으로 밝혀졌다.
즉 초기 은하와 별이 내뿜는 엄청난 자외선과 은하간의 결합을 통해 후에 우주가 식어면서 재이온화되는데 필요한 에너지를 충분히 공급했다는 것.
빅뱅 이론의 가설이 검증된 셈이다.
또한 이후의 재이온화 과정도 수억 년에 걸쳐 점진적으로 이뤄졌다는 사실이 밝혀졌다. 이는 우주의 수많은 은하들이 어느 한순간에 한꺼번에 극적으로 만들어진 것이 아니라 점진적으로 숫자가 늘어났고, 은하 속에 포함된 별과 화학성분들도 서서히 만들어졌음을 보여준다.
즉 재이온화 과정은 수소와 헬륨 가스로 가득차 있던 암흑시대 우주에 최초의 별(항성)과 은하들이 내뿜는 자외선이 우주 공간의 온도를 높였다. 그 결과 수소 원자들을 양성자와 전자로 분리시켜 플라즈마(초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태) 상태가 됐다. 이렇게 이온화된 물질들은 은하의 중력을 벗어나 우주 공간으로 흩어진 뒤 우주 팽창으로 온도가 점차 낮아지면서 새로운 은하와 별을 형성했는데 수억년 간의 이같은 재이온화 과정을 거쳐 오늘날과 같은 우주의 형태로 진하한 것.
빅뱅 이론에 의하면 우주는 137억 년 전 “특이점”으로 불리는 엄청난 고온과 고밀도의 한 점이 대폭발(빅뱅)을 일으켜 시작됐다. 빅뱅 직후 수억 년 동안 우주는 역동적인 변화를 겪은 뒤 재이온화 과정을 거치면서 점차 안정을 찾아 오늘날의 우주가 됐다.
이번 연구 결과는 그 동안 베일에 가려있던 빅뱅 직후 암흑시기를 지나 '별과 은하가 탄생하고 재이온화되는 과정'에 대해 획기적인 정보를 제공한다. 이는 우주 기원과 진화를 규명하는데 중요한 진전을 의미한다.
앞서 NASA는 12일 기자회견을 갖고 빅뱅 이후 3억5천만~6억년 사이의 초기 우주 7개를 발견했다며 이에 대한 영상과 연구 결과를 공개했다. 관련 논문은 천체물리학 저널레터(Astrophysical Journal Letters)에 실릴 예정이다.