우주 탄생 초기에 별과 은하를 만든 핵심 물질인 '중성가스'가 처음으로 직접 관측됐다.
일본 지바대학교가 이끄는 국제 연구팀은 빅뱅 이후 약 7억~8억년 뒤 초기 우주에 존재했던 은하에서 중성가스를 포착하는 데 성공했다고 15일(현지시간) 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제학술지 '천체물리학 저널'에 게재될 예정이다.
중성가스는 별을 만드는 주된 '연료'로 알려져 있지만, 먼 거리에서 관측하기 어려워 그동안 직접적인 증거를 찾기 힘들었다.
연구팀은 칠레 아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 전파망원경(ALMA)과 제임스웹 우주망원경(JWST)을 활용해 이 문제를 해결했다. 중성 산소 원자에서 나오는 특정 신호인 '[O I] 145마이크로미터' 방출선을 포착하는 방식이다.
기존에는 '[C II]' 신호를 통해 가스를 추적했지만, 이 신호는 중성가스와 이온화된 가스 모두에서 방출돼 연료의 양을 정확히 측정하기 어려웠다.
연구팀은 초기 우주에 있던 4개의 전형적인 별 형성 은하를 관측해 모든 은하에서 '[O I]' 신호를 검출했다. 반면 이온화된 가스만을 추적하는 '[N II]' 신호는 약하거나 관측되지 않아, 포착된 신호 대부분이 중성가스에서 비롯됐음을 확인했다.
요시노부 후다모토 박사는 "이번 관측은 초기 우주의 일반적인 은하에서 중성가스를 직접 탐지한 가장 먼 거리의 기록"이라고 설명했다.
분석 결과, 이 은하들의 가스 밀도는 폭발적으로 별이 생성되는 '스타버스트 은하'와 비슷할 정도로 매우 높았다. 이는 초기 은하가 고밀도 가스가 압축된 지역에서 활발하게 별을 만들며 성장했음을 시사한다.
아키오 이노우에 박사는 "이번 연구는 별 형성의 연료를 이해하는 새로운 창을 열었다"며 "과거 수집된 방대한 '[C II]' 관측 데이터의 활용도를 높일 수 있게 됐다"고 평가했다.
연구팀은 앞으로 관측 대상을 더 많은 은하로 확대해 우주와 우리 은하의 형성 및 진화 과정을 규명하는 연구를 이어갈 계획이다.