빅뱅 직후, 거대한 은하의 탄생

제네바 대학(UNIGE)이 이끄는 국제 연구팀은 빅뱅 후 10억 년 이내에 이미 존재했던, 우리 은하와 거의 같은 질량을 가진 초거대 은하 3개를 발견했다.

이 놀라운 발견은 제임스 웹 우주 망원경의 FRESCO 프로그램을 통해 가능했으며, NIRCam/grism 분광기를 사용하여 은하의 정확한 거리와 별의 질량을 측정했다.

연구 결과는 초기 우주의 별 형성이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 효율적이었음을 시사하며, 기존의 은하 형성 모델에 도전하고 있다.

이 연구는 Nature에 발표되었다.

과학자들이 선호하는 이론적 모델에서 은하는 거대한 암흑 물질 헤일로 내에서 점진적으로 형성된다.

암흑 물질 헤일로는 가스(원자와 분자)를 중력적으로 결합된 구조로 포획한다.

일반적으로 이 가스의 최대 20%만이 은하에서 별로 전환된다.

그러나 UNIGE가 이끄는 국제 연구팀의 새로운 발견은 이러한 관점에 도전한다.

그들은 초기 우주의 거대한 은하들이 후기 은하보다 별을 형성하는 데 훨씬 더 효율적이었으며, 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 빠르게 성장했을 수 있음을 밝혀냈다.

 

 

우주 초기에 존재한 거대한 ‘붉은 괴물’ 은하

제임스 웹 우주 망원경(JWST)의 비교할 데 없는 성능을 통해 천문학자들은 매우 먼 초기 우주의 은하들을 체계적으로 연구할 수 있게 되었으며, 거대하고 먼지로 뒤덮인 은하들에 대한 통찰력을 제공하고 있다.

FRESCO 서베이에서 은하들을 분석함으로써 과학자들은 대부분의 천체가 기존 모델에 부합한다는 것을 발견했다.

그러나 그들은 또한 놀랍도록 거대한 세 개의 은하를 발견했는데, 이 은하들의 별 질량은 오늘날의 은하수와 비슷하다.

이 은하들은 저질량 은하나 후기 은하보다 거의 두 배나 효율적으로 별을 형성하고 있다.

높은 먼지 함량으로 인해 JWST 이미지에서 뚜렷한 붉은 색을 띠기 때문에 이들은 ‘붉은 괴물’이라는 별명을 얻었다.

 

“우리의 발견은 초기 우주의 은하 형성에 대한 우리의 이해를 재구성하고 있습니다.”라고 이번 연구의 주저자이자 UNIGE 과학부 천문학과의 박사후 연구원인 Mengyuan Xiao 박사는 말한다.

“이 ‘붉은 괴물’들의 거대한 특성은 JWST 이전에는 거의 측정되지 않았습니다.

왜냐하면 먼지에 의해 가려져 광학적으로 보이지 않기 때문입니다.”라고 CEA Paris-Saclay의 연구 책임자인 David Elbaz 박사는 말한다.

 

 

우주 초기에 은하의 성장을 추적하는 새로운 방법

국제 연구팀은 우주의 첫 10억 년 동안 방출선 은하의 완전한 샘플을 체계적으로 분석하기 위해 JWST를 이용한 새로운 프로그램을 개발했다.

이 접근법을 통해 연구팀은 전체 은하 샘플에 대한 정확한 거리 추정과 신뢰할 수 있는 별 질량 측정을 달성할 수 있었다.

“우리의 발견은 NIRCam/grism 분광기의 놀라운 능력을 강조합니다.”라고 UNIGE 과학부 천문학과 부교수이자 이 관측 프로그램의 주요 연구자인 Pascal Oesch는 설명한다. “우주 망원경에 탑재된 이 장비를 통해 시간이 지남에 따라 은하의 성장을 식별하고 연구하며, 우주 역사의 과정에서 별 질량이 어떻게 축적되는지 더 명확한 그림을 얻을 수 있습니다.”

 

 

우주 초기의 은하 형성에 대한 새로운 의문

이러한 발견은 표준 우주론 모델과 상충하지 않지만, 초기 우주에서 "너무 많고, 너무 거대한" 은하의 문제와 관련하여 은하 형성 이론에 새로운 질문을 제기한다.

현재 모델은 초기 거대 은하들이 그렇게 효율적인 별 형성을 달성하고 우주의 매우 초기 시기에 매우 빠르게 형성될 수 있도록 한 독특한 과정을 고려해야 할 수도 있다.

JWST와 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 전파 간섭계(ALMA)를 이용한 미래의 관측은 이러한 초거대 "붉은 괴물"에 대한 더 많은 통찰력을 제공하고 이러한 천체의 더 큰 샘플을 밝혀낼 것이다.

"이러한 결과는 초기 우주의 은하들이 예상치 못한 효율로 별을 형성할 수 있음을 나타냅니다."라고 Mengyuan Xiao 박사는 결론을 내린다.

"우리가 이러한 은하들을 더 깊이 연구함에 따라, 이들은 우주의 가장 초기 시대를 형성한 조건에 대한 새로운 통찰력을 제공할 것입니다. '붉은 괴물'은 초기 우주 탐사의 새로운 시대의 시작일 뿐입니다."