June 22,2018

美 연구진, 초기우주 원시가스 최초 발견

빅뱅 직후 우주 모습 및 진화 연구에 도움

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미국 천문학자들이 우주의 기원과 진화를 밝히는 데 도움이 될 초기 우주의 원시 가스를 발견했다. 현대 우주론의 정설인 빅뱅 우주론에 따르면, 대폭발과 함께 가벼운 수소, 헬륨, 수소의 동위원소가 생성됐으며 다른 무거운 원소들은 그 이후에 생성된 것이라 알려져 있다.

초기 원소들은 시간이 흐르며 응축돼 항성, 은하 등의 천체를 만들어 냈으며, 특히 항성에서 일어나는 핵융합반응으로 인해 가벼운 원소들은 금속원소와 같은 무거운 입자들을 만들어냈다는 것.

이렇게 생성된 금속 원소들은 우주 전역에 퍼져나가게 됐으며, 이 때문에 금속 원소가 포함되지 않은 초기 우주의 가스를 찾아내는 것은 매우 힘든 일이다. 실제로 천문학자들은 초기 우주의 모습과 우주의 진화 과정 등을 밝혀내기 위해 자연 상태 그대로의 원시 가스를 찾아내기 위해 노력했지만 번번이 실패해 왔다. 헌데 이번 연구를 통해 그 원시 가스의 흔적을 찾아낸 것이다.

▲ 퀘이사의 상상도 ⓒNASA

캘리포니아 대학교 산타크루즈 캠퍼스의 천문학 및 천체물리학과 제비어 프로차스카 교수와 대학원생 미셀 퍼마갤리 등이 이번 연구를 진행했으며 관련 논문은 최근 사이언스 지 온라인 판에 게재됐다.

연구진은 하와이에 위치한 W. M. 켁 천문대의 켁 망원경을 이용해 먼 우주의 퀘이사에서 오는 빛을 분석했다. 켁 망원경의 고해상도 분광계를 이용해 빛의 스펙트럼을 분석함으로써 그 빛이 지나는 곳에 위치한 가스 덩어리의 구성 성분을 알아낼 수 있었다.

빛이 진행해 오는 동안 가스 안의 물질들은 빛의 특수한 파장을 흡수하게 되는데, 이 때문에 스펙트럼에서는 그 흡수된 빛이 나타나지 않아 ‘흡수선’이라는 검은 선의 형태가 보이게 된다. 물질을 이루는 원소들은 흡사 사람의 지문처럼 고유한 흡수선을 가지고 있어 스펙트럼 분석으로 구성 원소에 대한 정보들을 알아낼 수 있는 것.

퀘이사의 빛에는 금속원소가 결여돼 있어

이러한 방법을 통해 연구팀은 퀘이사로부터 온 빛에서 금속원소가 결여돼 있다는 사실을 발견했다. 퀘이사는 우주에서 발견된 천체 중 가장 멀리 있을 것으로 여겨지는 것이다. 멀리 떨어져 있다는 것은 그만큼 빛이 진행해 오는데 긴 시간이 흘렀다는 것이기 때문에 퀘이사로부터 오는 빛은 초기 우주의 정보를 담고 있다고 볼 수 있다.

즉, 우주 초기에 생성돼 우주 전역으로 퍼져나갔을 금속원소가 퀘이사에서 거의 발견되지 않았다는 것은 그곳에 초기 우주의 원시 가스 덩어리가 존재한다는 것을 입증해 주는 현상이다.

연구진은 미국의 과학 전문지 사이언스데일리와의 인터뷰를 통해 분석한 빛스펙트럼에서는 오직 수소와 질량수가 2인 수소의 동위원소 듀테륨만을 확인할 수 있었다고 밝혔다. 이들의 분석은 탄소, 산소, 규소 등도 검출할 수 있는 높은 감도를 가지고 있었지만 그것들은 발견되지 않았다. 또한 초기 생성 원소로 여겨지는 수소, 헬륨, 듀테륨 중 헬륨은 아직 확인되지 않았는데, “이는 분석에 있어 헬륨에 대한 감도의 문제일 뿐, 시도한다면 얼마든지 헬륨 또한 확인 가능하다”는 것이 연구진의 설명이다.

이번 발견은 초기 우주의 원시 가스를 최초로 관측해냈다는 데 의미가 있다. 또한 이는 우주 진화를 설명하는 데 상당한 도움이 될지도 모른다. 연구진이 초기 우주에서 은하의 성장 동력이 된 ‘차가운 가스의 흐름’의 잠재적 후보로 이 원시 가스를 지목하고 있기 때문이다.
 
이 ‘차가운 흐름’은 존재가 예견돼 왔을 뿐, 아직 정체는 밝혀지지 않았다. 그 정체가 이번에 발견된 원시 가스가 맞을지에 대해서는 후속 연구가 필요할 것으로 보인다. 그 밖에도 원시 가스가 우주 진화에 구체적으로 어떤 역할을 했는지에 대해서는 계속 천문학계의 관심을 받을 것으로 전망된다.

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