MEGATRON, 첫 별부터 우리은하급 은하의 성장까지 재현하다

MEGATRON은 훗날 우리은하와 비슷한 질량의 은하가 될 우주 영역을 초기부터 따라가는 우주론적 복사-유체역학 시뮬레이션 프로젝트다. 출발점은 아직 무거운 원소가 거의 없는 원시 가스와 최초 세대 별인 종족 III 별이다. 은하의 작은 전신들이 생겨나고 성장하는 동안 가스의 움직임, 화학 반응, 복사의 영향을 함께 계산해 초기 은하의 빛과 뒤이어 형성된 별에 남을 화학적 흔적을 모두 예측하려는 것이 핵심이다. 86

별빛과 화학 반응, 초신성을 한데 계산

별에서 나온 복사는 주변 가스를 가열하고 이온화한다. 원시 분자와 나중에 생성되는 무거운 원소는 가스가 얼마나 잘 식는지에 영향을 주며, 별의 되먹임과 초신성 폭발은 새로 만들어진 원소를 주변에 퍼뜨린다. MEGATRON은 이런 과정을 따로 떼어 놓지 않고 시뮬레이션 안에서 함께 다룬다.

모델에 따르면 초기 은하는 오늘날 비슷한 질량을 가진 은하보다 가스 밀도가 높고, 금속(천문학에서 헬륨보다 무거운 원소)이 적으며, 더 강한 복사장에 놓여 있다. 이는 JWST 관측을 해석할 때 제시된 초기 은하의 모습과 부합한다. 시뮬레이션은 높은 적색편이의 은하에서 나타날 수 있는 다양한 스펙트럼을 재현하지만, 관측된 스펙트럼과 맞는다는 사실만으로 어떤 되먹임 과정이 원인인지 하나로 확정할 수는 없다. 813

왜소은하에 남을 수 있는 ‘철의 평탄 구간’

초기 연구 가운데 하나는 첫 별들이 만든 원소가 가장 작은 왜소은하의 철 함량에 영향을 줘, 은하의 항성 질량이 작아질수록 철 함량도 계속 낮아지는 대신 일정한 수준의 평탄 구간이 생길 수 있다고 제시했다. 이런 패턴은 최초 세대 별의 초신성이 남긴 흔적일 가능성이 있지만, 초신성의 성질을 확정적으로 측정한 결과는 아니다. 7

JWST의 빛과 우리은하의 오래된 별을 잇다

JWST는 먼 우주에 있는 젊은 은하의 빛을 관측한다. 반면 우리은하 안팎의 오래되고 금속 함량이 낮은 별은 초기 세대 별이 주변 물질에 남긴 원소의 기록을 간직할 수 있다. MEGATRON은 한쪽에서는 초기 은하의 예측 스펙트럼을 JWST 관측과 비교하고, 다른 쪽에서는 예측한 원소 함량을 오래된 별의 화학 조성과 대조할 수 있다. 초기 별 형성을 바라보는 두 가지 관측 창을 시뮬레이션으로 연결하는 셈이다. 87

다음 단계는 첫 별 형성 환경을 더 자세히 보는 것

초기 연구는 시뮬레이션 묶음과 함께 고적색편이 은하의 스펙트럼, 초기 은하의 가스와 되먹임, 종족 III 별의 형성 환경, 왜소은하의 철 함량을 다룬 연구로 이어졌다. 앞으로 계획된 더 높은 해상도의 계산은 첫 별이 태어나는 가스를 더 세밀하게 분해하는 데 도움이 될 전망이다. 이를 통해 첫 별의 질량과 복사, 초신성이 방출하는 원소를 두고 서로 다른 가정들을 JWST 스펙트럼과 별의 화학 조성에 비춰 시험할 수 있다. 다만 어떤 모형이 맞는지 가려내는 일은 앞으로의 검증 과제이지, 첫 별의 정체가 이미 확정됐다는 뜻은 아니다. 81367