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- 이전에 생각했던 것보다 40억~50억년 빠른 것
- 금속이 부족한 이 별들 중 50% 이상이 130억 년 이상. 나머지 별들은 대부분 100억년 이상
- 원반 은하는이미 우주의 첫 10억 년 동안 별이 많은 은하의 40~60%를 차지

은하수의 별 원반은 예상외로 오래되었다
우리 은하의 "얇은 원반"은 약 130억 년 전에 존재했다.

은하계 메두셀라:
우리 은하계에 있는 밀도 높은 별 원반은 약 130억 년 전에 형성됐다. 이는 이전에 생각했던 것보다 40억~50억년 빠른 것이다. 천문학자들의 보고에 따르면, 이는 소위 은하계의 "얇은 원반"이라고 불리는 이 지역에서 아주 오래된 별들의 예상치 못한 높은 비율을 발견함으로써 입증됐다. 그들의 발견은 은하의 초기 진화에 대한 새로운 시각을 제시하고 제임스 웹 망원경이 예상보다 초기 우주에서 더 많은 원반 은하를 발견하는 이유를 설명할 수도 있다. 

▲ 우리 은하의 별 원반은 생각보다 40억~50억년 더 오래되었다. © NASA/JPL Caltech

태양과 우리 은하 다른 별들의 약 85%는 우리 은하의 주요 평면인 "얇은 원반"에 있다. 나선형 팔과 막대도 이 별 원반에 위치하며 두께는 약 1,000~1,300광년이다. 현재 이론에 따르면 은하계는 약간의 지연을 거쳐 그러한 별 원반을 형성하며, 그 전에는 별과 가스가 불규칙하고 타원형으로 모여 있다.

이는 은하계의 경우에도 마찬가지인 것으로 보인다. 은하계의 가장 오래된 별과 약 130억 년 된 별들의 집합이 은하 중심과 얇은 원반 외부에서 발견됐다. 반면에 별 원반의 나이는 80억~100억 년에 불과한 것으로 추정되었다. "그러나 최근 연구에 따르면 역학적으로 차가운 원반 궤도에 금속이 부족한 [오래된] 별이 무시할 수 없을 만큼 많이 있다는 것이 밝혀졌다"고 포츠담 소재 라이프니츠 천체물리학 연구소의 사미르 네팔(Samir Nepal)과 그의 동료들이 보고했다.

"원반 궤도"의 고대 별

그 이후로 은하수의 얇은 원반이 실제로 언제 형성되었는지에 대해서는 논란이 많았다. 연구에서는 모순된 결과가 나왔다. 네팔과 그의 팀은 현재까지 은하수의 얇은 원반에 있는 별에 대한 가장 포괄적인 시간-화학-운동학 지도를 만들었다. 이를 위해 그들은 가이아 우주 망원경 카탈로그에 포함된 56만 개 이상의 별의 움직임, 구성 및 거리를 평가했다. 그들은 특히 약 2만 개의 별에 대한 나이와 역학을 정확하게 결정할 수 있었다.

▲ 은하수의 소위 "얇은 원반"에는 은하수의 별과 나선팔이 대부분 포함되어 있다. © Gaba p/CC-by-sa 3.0

별 지도를 통해 밝혀진 사실은 은하수의 별 원반에 있는 예상외로 많은 수의 별이 금속이 부족하여 고대의 별이라는 것이다. 천문학자들은 “얇은 원반 내에 궤도를 갖고 있는 금속이 부족한 이 별들은 확실히 알아볼 수 있는 집단을 형성하고 있다”고 보고했다. 금속이 부족한 이 별들 중 50% 이상이 130억 년 이상 된 것이다. 나머지 별들은 대부분 100억 년 이상 된 것이다.”

130억 년 전 별 원반

별 궤도를 면밀히 분석한 결과, 이 고대 별들은 나중에 별 안쪽 원반에 들어갈 수 없었을 것이라는 사실이 밝혀졌다. 그들은 처음부터 거기에 있었음이 분명하다. 이는 은하수의 별 원반이 예상보다 훨씬 오래되었다는 것을 의미한다. "원반에 있는 이 고대 별들은 은하수의 얇은 원반의 형성이 이전에 생각했던 것보다 약 40억~50억년 일찍 시작되었음을 시사한다"고 네팔은 말했다.

우리의 고향 은하계는 형성 직후 전형적인 별 원반을 받았다. 천문학자들은 "은하의 별 원반은 빅뱅 이후 10억 년이 채 지나지 않아 형성됐으며 그 후 계속해서 안쪽에서 바깥쪽으로 성장했다"고 보고했다. 그들이 발견한 바와 같이, 이 초기 시대의 강력한 별 형성은 또한 더 무거운 원소들의 급속한 축적을 가져왔다. 이로 인해 은하 원반에 매우 오래되었지만, 금속이 풍부한 별이 추가로 형성되었다.

▲ 우리 태양과 다른 젊은 별들 외에도, 130억년 전에 형성된 고대 별들 또한 은하수의 얇은 원반 주위를 공전한다. © Nepal et al./HG: NASA/JPL-Caltech

특별한 경우는 아니죠?

천문학자들이 설명하는 것처럼, 은하수 별 원반의 놀랍게도 오래된 나이는 은하 진화에 관한 일반적인 생각에도 영향을 미친다. 지금까지 초기 별 원반은 아주 특별한 경우로 여겨졌다. 이것은 James Webb 망원경의 최근 관측을 더욱 놀랍게 만든다. 이들에 따르면 원반 은하는이미 우주의 첫 10억 년 동안 별이 많은 은하의 40~60%를 차지했다.

네팔과 그의 동료들은 “이러한 초기 원반 형성의 가능한 메커니즘을 밝히기 위해 현재 우주론적 시뮬레이션이 수행되고 있지만 이를 재현하는 데 어려움을 겪고 있다”고 설명했다. 우리 은하도 아주 일찍부터 원반 은하가 되었다는 그들의 증거는 이제 초기 우주에서의 관측을 확증해 준다. 동시에, 이것은 그러한 은하가 형성 직후에 어떻게 그리고 왜 이렇게 질서있고 평평한 모양을 형성하는지에 대한 의문을 더욱 제기한다.
(Astronomy & Astrophysics accepted; arXiv-Preprint doi: 10.48550/arXiv.2402.00561)
출처: Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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