JWST가 본 초기 은하의 가스, 허블이 살핀 별의 바람

초기 은하는 얼마나 빨리 별을 만들고, 그 별이 만든 물질을 주변으로 내보냈을까. 제임스 웹 우주망원경(JWST)은 먼 은하의 가스에서 단서를 찾았고, 허블 우주망원경의 TEMPOS 탐사는 초기 우주와 비슷하게 무거운 원소가 적은 환경의 가까운 별들을 조사했다. 하나는 은하 규모의 가스 흐름, 다른 하나는 별 자체의 물질 방출을 살핀 결과다. 두 관측을 연결해 해석할 수는 있지만, 같은 현상을 직접 측정한 것은 아니다. 110

초기 은하의 가스는 이미 ‘순수한’ 상태가 아니었다

JWST가 관측한 세 은하는 빅뱅 후 약 5억 2천만~6억 5천만 년 당시의 모습이다. 가스에서 탄소·산소·규소 등 천문학에서 ‘금속’이라 부르는 수소·헬륨보다 무거운 원소가 확인됐다. 이는 앞서 태어난 별들이 원소를 만들고 주변에 퍼뜨렸음을 뜻한다. 원소가 풍부해진 가스가 은하 바깥쪽으로 움직인 흔적은 가스 유입, 별 형성, 물질 유출로 이어지는 은하 규모의 가스 순환이 일찍 형성되고 있었음을 시사한다. 다만 유출이 관측됐다고 해서 그 가스가 나중에 은하로 되돌아왔다는 뜻은 아니다.

이 결과는 최초의 별인 ‘종족 III 별’을 찾는 일에도 중요하다. 종족 III 별은 무거운 원소가 없는 물질에서 태어난 첫 세대의 별을 가리킨다. 이번에 조사한 가스에는 이미 무거운 원소가 있으므로 그 가스는 원시 상태가 아니다. 최초 별이 남겼을 가능성이 있는 화학적 흔적과 별 자체를 직접 발견하는 일도 구별해야 한다. 이번 관측은 조사된 가스에서 직접 볼 수 있는 금속 없는 별 무리를 기대하기 어렵게 할 뿐, 다른 곳의 존재까지 배제하지는 않는다.

허블은 가까운 별에서 모형의 가정을 시험했다

TEMPOS는 근처의 금속 함량이 낮은 왜소은하 여섯 곳에 있는 무거운 O형 별 29개의 자외선 스펙트럼을 모았다. 초기 분석에서는 금속성이 가장 낮은 환경의 항성풍, 즉 별 표면에서 빠져나가는 물질의 흐름이 예상보다 약한 것으로 나타났다. 특히 금속성이 태양의 약 10분의 1보다 낮아지면 항성풍이 기존의 완만한 추세를 연장해 예측한 값보다 더 급격히 약해질 가능성이 있다. 이 경계와 약화 정도는 추가 검증이 필요하다. 161013

항성풍은 JWST가 본 은하 규모의 가스 유출과 다르다. 하지만 무거운 별이 물질을 잃고 주변 환경에 영향을 주는 한 경로이므로, 항성풍의 세기를 잘못 가정하면 젊은 은하의 진화 예측도 달라질 수 있다. TEMPOS는 먼 은하의 별을 직접 측정하거나 그 은하의 가스 유출 원인을 입증한 연구가 아니라, 모형에 들어가는 항성풍의 가정을 가까운 별로 시험한 연구다. 13

‘금속성’이라는 숫자 하나로는 부족할 수 있다

빛의 압력에 의해 움직이는 항성풍은 별 대기에 있는 금속 이온의 영향을 받는다. TEMPOS에서 철 흡수 신호에 차이가 나타난 점은 은하 가스의 산소 함량을 별의 성분까지 대표하는 지표로 쓰는 관행에 주의를 요구한다. 앞선 연구에서도 별의 철을 바탕으로 한 측정과 가스의 산소 측정이 반드시 같은 원소 비율을 가리키지는 않는 것으로 나타났다. 346

따라서 초기 은하 모형은 가스의 유입·유출과 화학적 농축뿐 아니라, 매우 낮은 금속성에서의 항성풍 세기와 원소 간 비율도 함께 시험해야 한다. 이번 결과들은 JWST가 보여준 복잡한 초기 은하를 이해할 제약 조건을 늘렸지만, 그 모습에 대한 하나의 확정적인 해답을 제시한 것은 아니다. 1410