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130억 년 전, 6개의 은하가 지금의 은하수만큼 거대했다.

초기 은하는 현재의 우주론과 모순된다
130억 년 전, 6개의 은하가 은하수만큼 거대했다.

"불가능한" 거대함?
천문학자들은 현재의 우주 모델이 제안하는 것보다 훨씬 무거운 6개의 초기 은하를 발견했다. 제임스웹 망원경의 도움으로 탐지된 물체는 빅뱅 이후 5억 년에서 7억 년 전에 이미 존재했지만 이미 오늘날 우리 은하수와 거의 같은 수천억 개의 태양 질량을 포함하고 있다. 이것은 초기 우주의 물질 밀도와 은하 성장에 관한 현재 이론과 모순된다. 

▲ 이 6개의 붉은 물체에서 나오는 빛은 130억년 이상 동안 우리에게 왔다. 이에 따르면 이들 은하는 이미 빅뱅 이후 5000억~7000억년 뒤에 존재했다.© NASA/ESA/CSA, I. Labbe (Swinburne University of Technology); Image processing: G. Brammer (Niels Bohr Institute’s Cosmic Dawn Center at the University of Copenhagen).

현재의 이론에 따르면 최초의 별은 빅뱅 이후 약 2억~3억 년 후에 형성됐다. 이 성단에서 최초의 은하가 언제 개발되었고 얼마나 빨리 성장했는지는 여전히 불분명하다. 그동안 천문학자들은 빅뱅 이후 약 3억 년 동안 존재했던 제임스웹 망원경이 촬영한 이미지에서 일부 은하를 발견했다. 그러나 스펙트럼 분석에 따르면 이 초기 기록 보유자는 여전히 매우 작고 질량이 적었다.

여섯 개의 붉은 빛의 점

이제 천문학자들은 그림에 맞지 않는 다른 초기 은하들을 추적했다. 나이는 비슷한데 오늘날 우리 은하수만큼 거대하다. 그들은 멜버른에 있는 Swinbourne University of Technology의 Ivo Labbé와 그의 팀이 James Webb 망원경의 초기 릴리스 프로그램에서 근적외선 카메라 NIRCam의 일부 이미지를 평가했을 때 발견한 것이다. 그들은 허블 우주 망원경이 이미 스캔한 북두칠성 근처 하늘의 일부를 보여준다.

이미지를 면밀히 분석한 결과, 천문학자들은 몇 개의 붉은 점을 발견했으며, 그 특징은 먼 거리에 있고 이것으로 오랜 나이를 나타낸다. 그들은 적색편이를 사용해 이 빛이 130억 년 이상 동안 우리에게 오고 있다고 결정했다. 그것은 빅뱅 이후 약 5억에서 7억 년 동안 존재했던 물체들로부터 나왔다. 빛의 점의 특징은 그들이 초기 은하임을 시사했다.

놀랍게도 거대하다

그러나 놀라운 점은 이 6개의 초기 은하가 예상외로 거대했다는 것이다. 펜실베니아 주립 대학의 공저자 조엘 레자(Joel Leja)는 "우리는 초기에 작은 아기 은하만 볼 것으로 예상했다"고 설명했다. “대신, 우리는 우주의 새벽에 존재했지만, 우리만큼 발전된 은하를 발견한 것이다. 이 물체들은 예상했던 것보다 훨씬 더 거대했다.”

데이터에 따르면 6개의 초기 은하에는 모두 100억 태양 질량 이상의 별이 포함돼 있으며 그중 하나는 1000억 태양 질량 이상의 항성 질량을 가질 수도 있다. Leja는 "저의 첫 번째 생각은 우리가 실수를 저질렀고 분명히 곧 찾을 것이라는 것이었다"며 "그러나 지금까지 우리는 모든 노력에도 불구하고 잘못된 점을 찾지 못했다"고 말했다.

▲ James Webb 망원경 NIRCam으로 촬영한 6개의 초기 은하. © NASA/ESA/CSA, I. Labbe (Swinburne University of Technology); Image processing: G. Brammer (Niels Bohr Institute’s Cosmic Dawn Center at the University of Copenhagen).

현재 우주론에 대한 모순

이것은 이 6개의 초기 천체들이 정말로 은하라면 지금까지 발견된 이 초기 시대의 가장 거대한 은하일 수 있다는 것을 의미한다. “데이터는 이것이 은하임을 나타낸다. 그러나 이러한 물체 중 적어도 일부는 먼지로 뒤덮인 블랙홀일 가능성도 있다”고 Leja는 설명했다. 이것은 이전에 생각했던 것보다 이미 우주에 훨씬 더 많은 항성 물질이 있음을 의미한다.

천문학자들에 따르면 새로 발견된 6개의 물체의 질량은 현재의 거의 모든 우주론 모델과 모순된다. 그들에 따르면 빅뱅 직후에 그렇게 짧은 시간에 그렇게 많은 별을 형성할 수 있는 정상적인 물질이 충분하지 않았기 때문이다. "이 은하들 중 하나만 실재하더라도 우주론에 대한 우리의 이해를 한계까지 밀어붙인다"고 볼더에 있는 콜로라도 대학의 공저자 Erica Nelson은 설명했다.

"진짜 문제“

더 구체적으로 말하자면, 이 초기 시점에 그러한 거대한 은하의 존재를 설명하려면 젊은 우주의 물질 밀도가 우주론 모델이 예측하는 것보다 2배에서 5배 더 커야 한다. 또는 팀이 설명하는 것처럼 은하계는 이전에 생각했던 것과 다른 방식으로 성장했을 것이다. 두 경우 모두 우주 발전에 대한 우리의 이해에 근본적인 변화가 필요하다.

Leja는 "우리는 여기에서 너무 예상치 못한 것을 발견하여 과학에 실질적인 문제를 제기했다"고 말했다. 그와 그의 동료들은 가까운 미래에 James Webb Space Telescope의 고해상도 근적외선 분광계(NIRSpec)로 이 6개의 물체를 목표로 삼을 수 있기를 희망한다. 결과적인 빛 스펙트럼은 그들이 실제로 은하인지 그들이 포함하는 요소를 명확히 할 수 있다. "스펙트럼은 이러한 물체가 실제인지 여부를 즉시 알려준다"고 Leja는 말했다.
(Nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-05786-2)
출처: University of Colorado at Boulder, Penn State

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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