3'30" 읽기
- 빅뱅 후 약 38만 년 지나서 최초의 원자가 형성됐을 때 우주가 처음으로 투명해져
- 빅뱅 이후 11억 년까지 우주에 원시 중성 수소의 광범위한 잔해가 있었기 때문
- 새로운 데이터, 우주의 초기 단계에서 지금까지 이해되지 않은 과정 특성화하는 데 도움

Cosmic Dawn이 늦게 종료됐다.
재이온화 단계는 이전에 가정한 것보다 늦게 완료돼

후기 재이온화:
우주의 여명은 예상보다 오래 지속되었다. 천문학자들이 퀘이사 스펙트럼의 도움으로 알아낸 것처럼 빅뱅 이후 11억 년까지 우주에 원시 중성 수소의 광범위한 잔해가 있었기 때문이다. 그제서야 모든 수소는 첫 번째 별의 복사에 의해 이온화됐다. 우주 재이온화 단계는 일반적인 모델이 예측하는 것보다 늦게 끝났다. 

▲ 최초의 별들은 우주에서 이전에 중성이었던 수소를 이온화해 우주의 새로운 시대를 열었다. © 카네기 과학 연구소 / MPIA

빅뱅 후 약 38만 년 후에 최초의 원자가 형성됐을 때 우주가 처음으로 투명해졌다. 중성 수소는 공간을 채우고 첫 번째 별의 기초를 형성했다. 그들과 함께 재이온화의 시대인 우주의 새벽이 시작되었다. 이 단계에서 별과 은하의 강렬한 복사는 원시 수소를 이온화하고 오늘날에도 여전히 공간을 채우고 있는 성간 매질을 생성했다.

그러나 재이온화 시대가 정확히 언제 시작되었고 얼마나 오래 지속되었는지는 여전히 논쟁의 여지가 있다. 이 우주의 초기 기간에 대한 데이터가 거의 없기 때문이다. 초기 별과 원소의 관측에 따르면 이온화는 빅뱅 이후 3억 년이 채 되지 않아 시작돼 서서히 속도가 빨라졌을 수 있다. 현재 모델에 따르면 이 단계는 빅뱅 이후 10억 년이 채 되지 않아 끝났다.

"타임 머신"으로서의 퀘이사 라이트

하이델베르그에 있는 막스 플랑크 천문학 연구소(MPIA)의 사라 보스만(Sarah Bosman)이 이끄는 천문학자들의 연구는 다른 그림을 그린다. 그들은 우주 초기부터 67개 퀘이사의 고해상도 광 스펙트럼을 조사하여 소위 라이만 알파선(빛이 수소에 흡수될 때 발생하는 스펙트럼선)에 대해 조사했다. 멀리 떨어진 퀘이사의 빛이 중성 수소 구름을 통과할 때 이러한 흡수선이 특히 두드러진다.

스펙트럼 선의 적색 편이는 또한 이러한 흡수가 어느 거리에서 발생하는지, 따라서 어떤 시간에 발생하는지를 보여준다. 지금까지 개별 퀘이사에 대한 측정값은 모순된 결과를 제공했다. 일부는 z=5.6의 적색편이까지 강한 변동을 보였지만 이들의 출처는 명확하게 식별할 수 없었다.

설상가상으로, 오늘날 우주의 은하들 사이에는 중성 수소의 가스 필라멘트가 있으며, 이 신호는 적색편이를 벗어나기 때문에 관측 데이터에서 제거되어야 한다. 그러나 현재 조사된 67개 퀘이사 스펙트럼의 높은 품질 덕분에 Bosman과 그녀의 팀은 상대적으로 높은 수준의 확실성을 가지고 이러한 간섭 효과와 왜곡을 배제할 수 있었다.

▲ 멀리 떨어진 퀘이사의 빛에는 우주 수소가 언제 이온화되었는지에 대한 스펙트럼 정보가 포함돼 있다. © MPI für Astronomie

모델과의 상당한 편차

결과:
z=5.2의 적색편이까지 수소 이온화에 대한 퀘이사 데이터는 기존 모델과 잘 일치한다. "모델과의 탁월한 일치는 우리의 관찰과 시뮬레이션의 물리학이 데이터 범위를 올바르게 포괄한다는 것을 시사한다"라고 팀은 썼다. 그러나 이것은 그 이전의 시간에는 적용되지 않았으며 따라서 지배적인 의견에 따르면 재이온화가 이미 완료되었음에 틀림없는 단계에는 정확히 적용되지 않았다.

대신에, 퀘이사 스펙트럼은 z=5.2보다 큰 적색편이에 대한 모델에서 편차가 증가하는 것으로 나타났다. 이 단계에서 중성 수소 흡수가 점차적으로 사라지는 대신 퀘이사 스펙트럼은 깊고 강하게 변동하는 흡수선을 보여준다. 이러한 편차는 연구원들이 스펙트럼에서 가장 강력한 3개의 흡수 골을 제거한 경우에도 지속되었다.

빅뱅 이후 11억년 만에 끝

이것은 z=5.3의 적색편이까지 우주에서 중성 수소가 광범위하게 발생했음을 의미한다. 빅뱅 이후 11억 년이 지난 후에도 우주 수소의 재이온화는 완료되지 않았다. 우주의 새벽은 대부분의 현재 모델이 제안한 것보다 훨씬 오래 지속되었다.

Bosman의 동료인 Frederick Davies는 "우리는 지금까지 재판이 훨씬 더 늦게 종료되었다는 가장 강력한 증거를 가지고 있다. 지금까지 천문학자들은 재이온화가 빅뱅 후 10억 년 훨씬 전에 끝날 것”이라고 가정했다. Davies는 "이 새로운 데이터 세트는 우주의 첫 10억 년에 대한 수치 시뮬레이션이 앞으로 몇 년 동안 측정될 중요한 시금석이다"라고 말했다.

초기 우주에 대한 새로운 통찰력

새로운 결과는 또한 우주 초창기의 별 형성과 은하 성장에 대한 새로운 빛을 주었다. 밀도와 방사선 강도가 재이온화의 진행과 속도에 결정적이기 때문이다. 따라서 새로운 데이터는 우주의 이 초기 단계에서 지금까지 제대로 이해되지 않은 과정을 특성화하는 데 도움이 될 수 있다.
(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2022)
출처: Max-Planck-Institut für Astronomie

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]