빅뱅 이후 약 7억~8억년 뒤 초기 우주 은하에서 별을 만드는 '연료'인 중성가스가 세계 최초로 직접 관측됐다.
일본 지바대 후다모토 요시노부 교수가 이끄는 국제 공동 연구팀은 15일(현지시간) 국제학술지 '천체물리학 저널'에 이 같은 연구 결과를 발표했다. 연구팀은 칠레 아타카마 사막에 있는 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 전파망원경(ALMA)을 이용해 약 130억년 전 초기 은하 4곳을 관측하는 데 성공했다.
연구팀은 이번 관측에서 중성 산소 원자가 방출하는 특정 신호([O I] 145μm 방출선)를 포착했다. 이 신호는 별 형성의 재료가 되는 중성가스를 직접적으로 추적할 수 있는 명확한 지표다.
지금까지 초기 은하 연구는 제임스웹 우주망원경(JWST) 등을 통해 별과 뜨거운 가스를 중심으로 이뤄졌다. 별 형성의 핵심 재료인 차가운 중성가스를 직접 관측하기는 어려웠기 때문이다. 기존에 활용되던 탄소 이온 신호([C II])는 중성가스와 이온화된 가스 양쪽에서 모두 방출돼 해석에 한계가 있었다.
연구팀은 중성가스 신호와 함께 이온화된 가스에서만 나오는 질소 이온 신호([N II])를 함께 분석했다. 그 결과 관측된 은하들에서 질소 이온 신호가 매우 약하거나 없다는 사실을 확인했으며, 이를 통해 대부분의 신호가 중성가스에서 비롯됐음을 증명했다.
분석 결과 초기 은하의 가스 밀도는 현재 우주에서 가장 활발하게 별을 만드는 '스타버스트 은하'와 비슷할 정도로 매우 높았다. 다만 복사장의 강도는 이보다 다소 낮았다. 이는 초기 은하가 매우 빽빽하고 압축적인 환경에서 별을 형성했음을 시사한다.
후다모토 교수는 "이번 연구는 초기 우주에 있는 일반적인 별 형성 은하에서 중성가스를 직접 탐지한 가장 먼 거리의 관측"이라며 "기존에 축적된 방대한 관측 데이터의 활용도를 높여 초기 우주 연구의 새로운 길을 열었다"고 밝혔다.
연구팀은 앞으로 ALMA와 JWST 등을 활용해 더 많은 은하 표본으로 관측을 확대하고, 우주 초창기부터 현재까지 은하가 어떻게 형성되고 진화했는지에 대한 종합적인 그림을 그려나갈 계획이다.