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- 원시 수소 가스가 매우 강하게 응축되어 수소 분자를 형성한 후, 자체 중력에 의해 붕괴
- 선구적 별들의 표면 온도가 약 20만 켈빈으로, 태양의 거의 40배에 달했을 것으로 추정
- "금속"으로 알려진 철, 탄소, 산소, 코발트의 함량이 적을수록 별은 더 일찍 형성되었을 rjt
- 최초의 별과 그 극초신성에서 나온 이 빛은 우리에게 여전히 가려져 있다

성운 속 광점(光點): 종족 III 최초의 별들

빅뱅 이후 약 7천 5백만 년 후, 또 다른 변화가 시작됐다. 우주의 어떤 곳에서는 원시 수소 가스가 매우 강하게 응축되어 수소 분자를 형성한 후, 자체 중력에 의해 붕괴했다. 이 붕괴 영역의 중심에서는 압력과 온도가 계속 상승하여 별의 전(前)성기(prestellar)가 형성됐다. 

▲ 최초의 별들은 밀도가 높고 차가운 분자 구름의 붕괴를 통해 형성됐다. 제임스 웹이 촬영한 이 사진은 성장하는 원시별과 그것이 끌어당기는 가스 흐름을 보여준다. © NASA/ESA/CSA, Joseph DePasquale (STScI), Alyssa Pagan (STScI), Anton M. Koekemoer (STScI)

수백만 년에 걸쳐, 우리 우주의 이 최초의 원시별들은 거대하고 뜨거운 젊은 별로 성장한다. 이른바 종족 III 별들은 별의 선구자다. 핵융합을 통해 에너지를 생성하고 밝게 빛나는 천체들이 처음으로 등장했다. 하지만 이 최초의 별들이 언제 어디에 존재했는지는 불분명하다. 아직까지 그러한 종족 III 별을 본 사람은 아무도 없다. 아무리 뛰어난 망원경이라도 이 초기 우주 시대의 개별 별들을 관측하기에는 역부족이다. 따라서 천문학자들은 이러한 선구적인 별들에 대해 더 자세히 알아보기 위해 후대 별들의 시뮬레이션과 관측에 의존해 왔다.

최초의 별들은 얼마나 무거웠을까요?

스탠퍼드 대학교의 천체물리학자 데진 코는 "우리는 종족 III 별들이 오늘날의 별들보다 훨씬 더 무거웠다는 것을 알고 있다"고 설명했다. 그러나 이 별들의 정확한 질량은 논쟁의 여지가 있다. 일반적인 가정은 태양 질량의 수백 배를 가정하지만, 대만 중앙연구원의 천문학자들은 2024년에 훨씬 낮은 질량을 도출했다. 그들은 천체물리학 시뮬레이션을 사용하여 컴퓨터로 원시 가스 구름, 소위 미니 헤일로의 붕괴를 재현했다.

칭야오 탕은 "우리의 시나리오에서는 원시 가스가 중력에 의해 이 미니 헤일로의 중심으로 끌려가고, 이 과정이 중력 난류를 생성한다"고 설명했다. "이 난류는 구름을 여러 개의 덩어리로 나누는데, 각 덩어리는 약 23~175 태양 질량의 고밀도 중심을 가지고 있다." 이러한 하위 덩어리만이 이후 세대별(Population III)의 선구자로 붕괴됐다. 이 별들은 거대한 거성이지만, 태양 질량의 1천 배에 달하는 거대 별은 아닐 수 있다.

▲ 종족 III 별들은 특히 질량이 크고 무거운 원소를 거의 포함하지 않았다(그림). © NOIRLab/NSF/AURA; J. da Silva/Spaceengine, M. Zamani

매우 뜨겁고 금속이 부족함

하지만 태양 질량의 약 100배에 불과하더라도 세대별(Population III)은 항성 거대 별이며, 믿을 수 없을 정도로 뜨겁고 밝다. 천문학자들은 이 선구적 별들의 표면 온도가 약 20만 켈빈으로, 태양의 거의 40배에 달했을 것으로 추정한다. 이 거대 별들의 광도는 태양의 약 백만 배에 달한다.

그리고 최초의 별들은 후대의 별들과 또 다른 중요한 특징에서 차이를 보였다. 바로 빅뱅 당시 이미 생성되었던 화학 원소, 즉 수소, 소량의 헬륨, 그리고 미량의 리튬으로만 구성되어 있다는 것이다. 주기율표의 다른 모든 원소는 이 초기 별들의 핵융합, 초신성 폭발, 그리고 다른 우주적 사건들을 통해서만 형성된다.

따라서 별의 원소 구성은 그 별의 나이와 그 별이 속한 세대를 나타낸다. 천문학적으로 "금속"으로 알려진 철, 탄소, 산소, 코발트의 함량이 적을수록 별은 더 일찍 형성되었을 것이다. 예를 들어, 약 45억 년 된 우리 태양의 경우, 수소 대비 철의 비율은 0.16%이며, 더 어린 별에서는 최대 5%에 달할 수 있다. 이와 대조적으로, 종족 III 별의 스펙트럼에는 헬륨, 수소, 리튬의 특징만 포함될 가능성이 높다.

극초신성의 조기 종말

또 다른 특징은 종족 III 별의 종말이다. 이 초기 별들은 엄청난 질량으로 인해 핵융합 연료를 매우 빠르게 소모하여 불과 수백만 년 만에 소멸했다. 그 후 어떻게 될까? 오늘날 우주에서 거대 항성들은 대개 핵붕괴 초신성으로 끝난다. 핵이 자체 중력에 의해 붕괴되어 폭발한다. 그 결과 작고 극도로 밀도가 높은 중성자별이나 항성 블랙홀만 남는다.

반대 항성군 III의 경우는 다르다. 이 항성들은 매우 무겁고 금속 함량이 낮아 쌍불안정 초신성으로 폭발했을 가능성이 있다. 이 경우, 핵붕괴는 발생하지 않는다. 대신 별은 폭발로 완전히 산산이 조각나 중성자별이나 블랙홀이 남지 않는다. 이러한 극초신성 폭발은 일반적인 초신성보다 훨씬 많은 에너지를 방출하며, 은하 전체의 별들을 합친 것보다 더 밝게 빛날 수 있다. 2023년, 천문학자들은 초기 쌍불안정 초신성의 잔해일 가능성이 있는 항성군 III의 폭발 "화학적 지문"을 발견했다.

하지만 최초의 별과 그 극초신성에서 나온 이 빛은 우리에게 여전히 가려져 있다. 설령 우리의 망원경이 그렇게 먼 곳까지 볼 수 있다 하더라도, 이 최초의 별빛은 우리에게 보이지 않을 것이다. (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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