수십 년 동안, 허블 망원경을 통해 천문학자들은 우주 최초의 별들이 깜박이는 순간을 포착하려 애써왔다. 그러나 우주를 건설한 작은 은하들은 가장 정교한 장비로도 너무 희미해서 발견하기 어려웠다. 이제 천문학자들은 마침내 두 가지를 손에 넣었다: 웹 우주 망원경과 약간의 우주적 행운.
최근 《네이처》에 발표된 논문에서, 일본 가나자와 대학의 나카지마 기미히코가 이끄는 연구팀은 제임스 웹 우주 망원경을 사용해 빅뱅 후 약 8억 년 후의 초희미한 은하 LAP1-B를 관측했다. 이는 우리가 지금까지 본 가장 화학적으로 원시적인 은하다—그간 얼마나 많은 원시적인 것들을 발견했는지 생각하면 꽤 의미 있는 기록이다.
LAP1-B는 130억 광년 떨어져 있다. JWST의 거대한 금도금 베릴륨 거울만으로는 부족했다. 연구팀은 MACS J046이라는 거대한 은하단 덕분에 이를 발견했는데, 이 은하단은 우리와 LAP1-B 사이의 시공간을 우주적 재미있는 거울처럼 왜곡한다. "이 은하는 중력 렌즈 효과로 강하게 확대되었습니다"라고 나카지마는 말했다. 구체적으로, 왜곡된 시공간은 LAP1-B의 밝기를 약 100배 증가시켰다.
그러한 확대에도 불구하고, LAP1-B는 너무 어두워서 JWST나 허블 모두 그 별의 연속체(별들의 꾸준한 배경광)를 감지할 수 없었다. 나카지마와 동료들에게 이것 자체가 단서였다. 거리와 망원경 감도를 알고, 그들은 LAP1-B의 별 질량 상한선을 계산했다: 태양 질량의 3,300배. 이는 우리 은하의 약 1,000억 태양 질량에 비하면 오차 범위에 불과하다.
JWST 거울에 도달한 빛의 대부분은 별이 아니라 빛나는 가스에서 나온 것이었다. 그 가스를 분석한 결과, 연구팀은 LAP1-B가 지금까지 관측된 것 중 최초의 순수 은하에 가장 가깝다는 것을 깨달았다. 그 빛은 거대한 별에서 나온 고에너지 복사가 주변 성간 가스 구름에 충돌하여 형광을 발하게 한 결과다. JWST의 근적외선 분광기를 사용해 연구자들은 빛을 스펙트럼으로 분해하고 화학 조성을 나타내는 방출선을 찾았다.
"우리는 산소가 얼마나 있는지 측정하고 싶었습니다"라고 나카지마는 말했다. 분석 결과, 수소와 헬륨보다 무거운 원소가 심각하게 부족한 것으로 드러났다. 기체 상태의 산소 대 수소 비율은 태양의 0.4%에 불과했다. 또 다른 세부 사항: 삼중 이온화 탄소—탄소 원자가 6개의 전자 중 절반을 잃은 상태. 이 전자들을 떼어내려면 47.9 전자볼트를 초과하는 극자외선 광자가 필요하다. 근처의 거대한 별조차 충분히 뜨겁지 않다. 연구팀은 그렇게 뜨거울 수 있는 별은 우주에서 최초로 점화된 별들, 즉 빅뱅에서 나온 수소와 헬륨만으로 구성되어 형성 시 냉각할 무거운 원소가 부족한 별들이라고 제안한다. "그런 별들은 원시 가스로 형성되었을 것입니다"라고 나카지마는 말했다.
오늘날의 별(태양 포함)은 제1종족이다. 은하 헤일로에 있는 더 오래된 별들은 제2종족으로, 무거운 원소가 훨씬 적다. 제3종족 별은 최초의 별들로, 이론상 태양 질량의 수백 배가 작은 부피에 압축되어 매우 뜨겁게 타오르고 초신성으로 젊은 나이에 죽는 폭력적인 괴물이다. 나카지마 팀은 LAP1-B에서 그 폭발의 흔적을 찾았을 가능성이 크다.
무거운 원소가 극도로 부족함에도 불구하고, LAP1-B는 탄소 대 산소 비율이 비정상적으로 높다—태양보다도 높다. 연구자들은 그 답이 거대한 1세대 별들이 어떻게 죽었는지에 있다고 생각한다. 제3종족 별이 붕괴하면, 그 핵은 블랙홀이 되지만, 초신성은 별을 산산조각낼 만큼 강력하지 않다. "그들의 중력 결합 에너지는 일반적인 거대 별보다 강합니다"라고 나카지마는 말했다. 붕괴 결과 약한 초신성이 발생하며 상당한 낙하 물질이 생긴다: 산소 같은 무거운 원소는 사건의 지평선 너머로 빨려 들어가고, 탄소가 풍부한 가벼운 외부 층은 탈출한다. LAP1-B의 화학적 조성은 제3종족 초신성에서 나온 가스의 지문처럼 보인다.
또 다른 단서: 가스 속도. 도플러 확장을 측정하여...