초기 은하는 금속을 밖으로 내보냈다…별의 바람은 예상보다 약했을까

초기 은하가 만든 무거운 원소는 어디로 갔을까. 그 은하의 거대질량별은 생애 동안 얼마나 많은 물질을 잃었을까. 제임스웹우주망원경(JWST)의 SPURS와 허블우주망원경의 TEMPOS는 이 두 질문을 각각 다른 거리에서 살폈다. SPURS는 먼 은하의 가스를 직접 관측했고, TEMPOS는 초기 우주와 조건이 비슷한 가까운 은하의 별을 조사했다. TEMPOS가 초기 우주의 별 자체를 본 것은 아니다.45

먼 은하에서 확인한 것은 ‘움직임’이다

SPURS가 관측한 은하 3곳의 적색편이는 7.2~9.3이다. 이들 은하의 자외선 스펙트럼에는 여러 이온화 상태의 무거운 원소가 남긴 흡수선이 나타난다. 흡수선은 은하를 기준으로 청색편이돼 있어, 금속을 포함한 가스가 우리 시선 방향으로 움직인다는 해석과 들어맞는다. 천문학에서 ‘금속’은 수소와 헬륨보다 무거운 원소를 뜻한다.

이는 초기 은하에서 가스가 바깥으로 흘러나왔다는 증거다. 다만 가스가 얼마나 멀리 갔는지, 은하를 완전히 벗어나 은하 사이 공간까지 도달했는지는 이 흡수선만으로 알 수 없다.

그 차이는 금속이 사실상 없는 가스에서 태어났을 것으로 여겨지는 **제3종족 별(Population III)**을 찾을 때 중요하다. 유출된 금속이 주변의 별 탄생 지역에 닿았다면, 그곳에는 원시 상태의 가스가 줄었을 수 있다. 그렇다고 금속이 없는 가스가 우주 어디에도 남지 않았다는 뜻은 아니다.13

가까운 거대질량별의 바람은 왜 주목받나

TEMPOS는 허블의 자외선 관측으로 가까운 금속 빈약 왜소은하 6곳에 있는 거대질량별 29개를 조사했다. 그 결과 항성풍이 예상보다 약한 것으로 나타났다. 특히 무거운 원소의 함량이 태양의 약 10분의 1보다 낮은 별에서는, 금속 함량이 더 높은 별에서 확인된 경향을 그대로 연장한 예측과 어긋날 가능성이 제기됐다. 아직 확립된 새 법칙은 아니다.4510

항성풍은 별 대기의 무거운 원소 이온이 빛의 운동량을 받아 가스를 밖으로 밀어내면서 생긴다. 바람이 약하면 별은 살아 있는 동안 질량을 덜 잃을 수 있다.3 다만 연구 결과가 모두 같은 방향을 가리키지는 않는다. 앞서 금속 함량이 낮은 O형 별 11개를 분석한 연구도 매우 약한 바람을 확인했지만, 그 결과는 기존 항성풍 경향을 연장한 예측과 일치했다.15

초기 은하 모형에서 다시 따져볼 부분

TEMPOS의 결과가 더 넓은 별 집단에서도 확인된다면, 거대질량별은 죽기 전까지 더 많은 질량을 유지할 수 있다. 별의 최후에 일어날 폭발과 남겨질 밀집 천체, 후대 별의 재료가 되는 가스로 돌아가는 에너지와 물질의 양도 모형에서 다시 검토해야 한다.34

하지만 TEMPOS는 조사한 별의 최후를 관측하지 않았고, SPURS는 은하의 가스 유출을 무엇이 일으켰는지 밝혀내지 않았다. 은하 규모의 가스 유출과 개별 별의 항성풍은 연결될 수 있는 문제이지만, 같은 관측 결과는 아니다.

앞으로의 분광 관측과 모형 비교는 약한 항성풍 경향이 반복되는지, 별의 금속 함량이 결과에 어떤 영향을 주는지 시험할 수 있다. 제임스웹의 더 깊은 관측은 금속 함량이 극히 낮은 천체가 제3종족 별과 관련 있는지 살피고, 초기 은하에서 나온 금속이 실제로 어디까지 갔는지도 좁혀 나갈 수 있다.51013