초기 은하의 자외선 포착, 일반적 가정과 모순
- 기초과학 / 문광주 기자 / 2025-03-31 18:21:50
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- 우주에 최초의 별과 은하가 형성됐을 때, 어린 별에서 나온 강력한 방사선은 우주에 빛과 이전에 중성이었던 수소를 재이온화했다.
- JADES-GS-z13-1 은하는 적색편이 z=13, 빅뱅 이후 약 3억3천만 년에 이미 존재
- 우주의 재이온화가 예상보다 일찍 시작됐거나 현재 모델 예측보다 더 빨리 진행된 것
- 재이온화된 영역이 존재한다는 사실은 우주의 재이온화 타임라인 수정 필요
우주에 최초의 별과 은하가 형성되었을 때, 우주의 새벽이 밝았다. 어린 별에서 나온 강력한 방사선은 우주에 빛을 가져왔을 뿐만 아니라, 이전에 중성이었던 수소를 이온화했다. 이러한 재이온화는 우주의 중대한 변화를 나타낸다. 이전에는 성간 수소 구름이 짙은 안개처럼 보였다. 그들은 자외선과 다른 단파장 복사선을 분산시키고 흡수하여 복사선의 확산을 막았다.
하지만 우주의 재이온화는 언제 시작되었을까? 모델 시뮬레이션에 따르면, 우주 수소 성운의 첫 번째 틈새는 빅뱅 이후 약 3억 년 후에 나타난 것으로 나타났다. 단파 복사에 투명한 이러한 영역은 아직 작았으며, 초기 은하계 주위에 국부적 거품을 형성했다. 오직 그곳에서만 어린 별의 강렬한 방사선이 중성 가스를 이미 이온화했다. 하지만 이 구멍이 우주 성운에서 얼마나 빨리 커졌는지는 불분명하다.
우주 선사시대의 자외선 복사
이제 제임스웹 망원경의 새로운 데이터가 중요한 정보를 제공한다. 케임브리지 대학의 요리스 위츠톡이 이끄는 천문학자들은 연구를 위해 우주 망원경의 근적외선 분광기(NIRSpec)를 사용해 가장 먼 은하 중 하나를 목표로 삼았다. JADES-GS-z13-1이라는 이름의 이 은하는 적색편이 z=13을 나타내어 빅뱅 이후 약 3억 3천만 년 후에 이미 존재했던 것으로 추정된다.
하지만 천문학자들이 발견한 바에 따르면 이 은하의 한 가지 특징은 이 그림과 맞지 않다. JADES-GS-z13-1은 이 초기 시대에 비해 예상치 못하게 많은 양의 단파 자외선을 방출한다. 분광기 데이터에서 이 고대의 적색편이 자외선은 1.7㎛(마이크로미터) 파장에서 선명한 피크로 나타난다. 이러한 스펙트럼 특징은 은하의 적색편이와 결합하면 들뜬 수소의 스펙트럼 특징, 즉 라이만-알파 복사와 일치한다.
“우리는 그런 은하를 발견해서는 안되었다”
위츠톡은 "완전히 예상치 못한 일이었다"고 말했다. "우리가 이 은하를 보는 시점은 우주의 나이가 불과 3억 3천만 년이었음에도 불구하고, 놀랍게도 선명하고 강력한 라이만-알파 방사선의 특징이 보인다." 이것은 위츠톡의 동료인 로베르토 마이올리노가 말이다. 하지만 이는 우주의 진화에 대한 일반적인 이해와 모순된다. 이는 라이만-알파 방사선이 중성 수소의 짙은 안개가 이미 광범위하게 이온화된 후에야 확산될 수 있기 때문이며, 모델에 따르면 이는 훨씬 나중의 일이었다.
애리조나 대학의 공동 저자인 케빈 하인라인은 "우리는 처음부터 그런 은하를 발견하지 말았어야 했다"고 말했다. 하지만 스펙트럼 데이터는 JADES-GS-z13-1에서 나온 자외선 복사가 이전에 생각했던 것보다 더 멀리까지 도달했다는 것을 보여준다. 따라서 이 은하 주변의 수소 가스는 이미 놀라울 정도로 고도로 이온화되어 있었다. 천문학자들의 연구에 따르면, 이온화되어 자외선을 투과하는 이 가스 거품은 모든 방향으로 65만 광년 이상 뻗어 있었을 것이다. 이 거리는 단파 복사선이 거품 경계에 도달하기 전에 너무 멀리 퍼져서 그 뒤에 오는 중성 수소에 더 이상 흡수되지 않을 만큼 충분했다.
우주의 재이온화가 더 일찍 시작되었는가?
이는 우주의 재이온화가 예상보다 일찍 시작되었거나 현재 모델이 예측하는 것보다 더 빨리 진행되었다는 것을 의미한다. "빅뱅 이후 불과 3억 3천만 년 만에 이 UV 소스 주변에 재이온화된 영역이 존재한다는 사실은 우주의 재이온화 타임라인을 더욱 제한한다"고 위츠톡과 그의 동료들은 결론을 내렸다. 동시에 이번 발견은 이전에 생각했던 것보다 질량이 작은 초기 은하가 재이온화에 더 많이 기여했을 수도 있다는 것을 시사한다.
JADES-GS-z13-1 은하에서 나오는 강력한 자외선의 기원은 아직 불분명하다. 위츠톡은 "이 은하계 주변의 이온화된 수소로 이루어진 거대한 거품은 특별한 별 집단에 의해 만들어졌을 수 있다"고 말한다. 그렇다면 이 원시 별들은 이후의 별들보다 더 거대하고, 더 뜨겁고, 더 밝았어야 한다. 또한 은하계 중심부의 활성 블랙홀이 이온화에 필요한 방사선을 생성했을 가능성도 있다. 이 질문을 명확히 하기 위해 천문학자들은 이미 이 은하와 다른 초기 은하에 대한 추가 관측을 계획하고 있다.
(Nature, 2025; doi: 10.1038/s41586-025-08779-5)
출처: Nature, Space Telescope Science Institute
- 우주에 최초의 별과 은하가 형성됐을 때, 어린 별에서 나온 강력한 방사선은 우주에 빛과 이전에 중성이었던 수소를 재이온화했다.
- JADES-GS-z13-1 은하는 적색편이 z=13, 빅뱅 이후 약 3억3천만 년에 이미 존재
- 우주의 재이온화가 예상보다 일찍 시작됐거나 현재 모델 예측보다 더 빨리 진행된 것
- 재이온화된 영역이 존재한다는 사실은 우주의 재이온화 타임라인 수정 필요
우주의 새벽은 그보다 더 일찍 시작되었을까?
초기 은하에서 놀랍도록 강한 자외선 방출이 일반적인 가정과 모순돼
안개 속의 등대:
천문학자들이 실제로는 존재하지 않아야 할 초기 은하의 자외선을 포착했다. 그것은 우주가 아직 중성 수소의 짙은 안개로 가득 차 있던 시기에서 나온 것이기 때문이다. 이것은 단파 복사를 모두 흡수했다. 하지만, 현재 검출된 자외선은 그 당시에도 이 성운에 이온화된 거품이 존재했음을 증명한다. 천문학자들이 "네이처"에 보고한 바에 따르면, 우주의 재이온화는 이전에 생각했던 것보다 더 일찍 시작되었을 수 있다.
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| ▲ 우주의 재이온화 이전에는 중성 수소가 짧은 파장의 빛을 산란시키고 흡수했다. 마치 짙은 안개와 같았다. 이 문제가 언제부터 해결되었는지는 아직 불분명하다. 이제 초기 은하가 새로운 정보를 제공한다. © ESA/ C. Carreau |
우주에 최초의 별과 은하가 형성되었을 때, 우주의 새벽이 밝았다. 어린 별에서 나온 강력한 방사선은 우주에 빛을 가져왔을 뿐만 아니라, 이전에 중성이었던 수소를 이온화했다. 이러한 재이온화는 우주의 중대한 변화를 나타낸다. 이전에는 성간 수소 구름이 짙은 안개처럼 보였다. 그들은 자외선과 다른 단파장 복사선을 분산시키고 흡수하여 복사선의 확산을 막았다.
하지만 우주의 재이온화는 언제 시작되었을까? 모델 시뮬레이션에 따르면, 우주 수소 성운의 첫 번째 틈새는 빅뱅 이후 약 3억 년 후에 나타난 것으로 나타났다. 단파 복사에 투명한 이러한 영역은 아직 작았으며, 초기 은하계 주위에 국부적 거품을 형성했다. 오직 그곳에서만 어린 별의 강렬한 방사선이 중성 가스를 이미 이온화했다. 하지만 이 구멍이 우주 성운에서 얼마나 빨리 커졌는지는 불분명하다.
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| ▲ 제임스 웹 망원경이 촬영한 사진 속의 은하 JADES-GS-z13-1. 그것은 빅뱅 이후 약 3억 3천만 년 후에 이미 존재했다. © ESA/Webb, NASA & CSA, JADES Collaboration, J. Witstok, P. Jakobsen, A. Pagan(STScI), M. Zamani(ESA/Webb) |
우주 선사시대의 자외선 복사
이제 제임스웹 망원경의 새로운 데이터가 중요한 정보를 제공한다. 케임브리지 대학의 요리스 위츠톡이 이끄는 천문학자들은 연구를 위해 우주 망원경의 근적외선 분광기(NIRSpec)를 사용해 가장 먼 은하 중 하나를 목표로 삼았다. JADES-GS-z13-1이라는 이름의 이 은하는 적색편이 z=13을 나타내어 빅뱅 이후 약 3억 3천만 년 후에 이미 존재했던 것으로 추정된다.
하지만 천문학자들이 발견한 바에 따르면 이 은하의 한 가지 특징은 이 그림과 맞지 않다. JADES-GS-z13-1은 이 초기 시대에 비해 예상치 못하게 많은 양의 단파 자외선을 방출한다. 분광기 데이터에서 이 고대의 적색편이 자외선은 1.7㎛(마이크로미터) 파장에서 선명한 피크로 나타난다. 이러한 스펙트럼 특징은 은하의 적색편이와 결합하면 들뜬 수소의 스펙트럼 특징, 즉 라이만-알파 복사와 일치한다.
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| ▲ JADES-GS-z13-1-LA에서의 Ly-α 생산, 방출 및 흡수의 개략도. a,b, Ly-α 방출은 분홍색으로 표시되고, 진한 파란색은 H i 가스를 나타낸다. 방출원((i) 및 (ii))과 Ly-α 변조 모드에 대해 각각 두 가지 잠재적 설명을 식별한다. a, 가장자리 방향으로 보이는 중성 가스의 확장된 디스크는 연속체 소스의 DLA 흡수를 일으킬 수 있는 반면, 디스크 평면에 수직인 이온화 원뿔은 Ly-α 광자가 탈출할 수 있도록 한다. 이 탈출 메커니즘에 따라 Ly-α 방출원은 AGN(i)에서 핵 스타버스트(ii)로 바뀔 수 있다. b, 또는 ISM의 중성 가스가 불균일하게 분포된 경우 공명 산란으로 인해 Ly-α가 바깥쪽으로 확산되는 반면 중앙 소스는 H i 가스에 의해 가려진 상태로 유지될 수 있다. 이는 국소적이고 밀집된 별 형성 은하에서 볼 수 있다. (출처:관련논문 Published: 26 March 2025 Witnessing the onset of reionization through Lyman-α emission at redshift 13 / nature) |
“우리는 그런 은하를 발견해서는 안되었다”
위츠톡은 "완전히 예상치 못한 일이었다"고 말했다. "우리가 이 은하를 보는 시점은 우주의 나이가 불과 3억 3천만 년이었음에도 불구하고, 놀랍게도 선명하고 강력한 라이만-알파 방사선의 특징이 보인다." 이것은 위츠톡의 동료인 로베르토 마이올리노가 말이다. 하지만 이는 우주의 진화에 대한 일반적인 이해와 모순된다. 이는 라이만-알파 방사선이 중성 수소의 짙은 안개가 이미 광범위하게 이온화된 후에야 확산될 수 있기 때문이며, 모델에 따르면 이는 훨씬 나중의 일이었다.
애리조나 대학의 공동 저자인 케빈 하인라인은 "우리는 처음부터 그런 은하를 발견하지 말았어야 했다"고 말했다. 하지만 스펙트럼 데이터는 JADES-GS-z13-1에서 나온 자외선 복사가 이전에 생각했던 것보다 더 멀리까지 도달했다는 것을 보여준다. 따라서 이 은하 주변의 수소 가스는 이미 놀라울 정도로 고도로 이온화되어 있었다. 천문학자들의 연구에 따르면, 이온화되어 자외선을 투과하는 이 가스 거품은 모든 방향으로 65만 광년 이상 뻗어 있었을 것이다. 이 거리는 단파 복사선이 거품 경계에 도달하기 전에 너무 멀리 퍼져서 그 뒤에 오는 중성 수소에 더 이상 흡수되지 않을 만큼 충분했다.
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| ▲ 스펙트럼은 적색편이된 라이만-알파 복사의 선명한 피크를 보여준다. © ESA/Webb, NASA, CSA, STScI, J. Olmsted(STScI), S. Carniani(Scuola Normale Superiore), P. Jakobsen |
우주의 재이온화가 더 일찍 시작되었는가?
이는 우주의 재이온화가 예상보다 일찍 시작되었거나 현재 모델이 예측하는 것보다 더 빨리 진행되었다는 것을 의미한다. "빅뱅 이후 불과 3억 3천만 년 만에 이 UV 소스 주변에 재이온화된 영역이 존재한다는 사실은 우주의 재이온화 타임라인을 더욱 제한한다"고 위츠톡과 그의 동료들은 결론을 내렸다. 동시에 이번 발견은 이전에 생각했던 것보다 질량이 작은 초기 은하가 재이온화에 더 많이 기여했을 수도 있다는 것을 시사한다.
JADES-GS-z13-1 은하에서 나오는 강력한 자외선의 기원은 아직 불분명하다. 위츠톡은 "이 은하계 주변의 이온화된 수소로 이루어진 거대한 거품은 특별한 별 집단에 의해 만들어졌을 수 있다"고 말한다. 그렇다면 이 원시 별들은 이후의 별들보다 더 거대하고, 더 뜨겁고, 더 밝았어야 한다. 또한 은하계 중심부의 활성 블랙홀이 이온화에 필요한 방사선을 생성했을 가능성도 있다. 이 질문을 명확히 하기 위해 천문학자들은 이미 이 은하와 다른 초기 은하에 대한 추가 관측을 계획하고 있다.
(Nature, 2025; doi: 10.1038/s41586-025-08779-5)
출처: Nature, Space Telescope Science Institute
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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