글/ 소로(蕭路)
【정견뉴스】
은하계 발전과 변화의 역사는 줄곧 천문학에서 아주 중요한 주제 중 하나였다. 그중에서도 성간물질(星間物質)은 은하계의 중요한 구성부분의 하나인데 특히 성간물질 속 기체와 금속성분이 그렇다.(원주: 천문학에서 말하는 금속성분이란 수소와 헬륨을 제외한 나머지 다른 원소들을 널리 가리킨다.)
현재 과학자들은 성간물질은 주로 3가지 내원이 있다고 본다.
하나는 우리 은하계 외부에서 유래한 원시적인 기체이고 또 하나는 은하계 내부 항성(恒星) 사이에 있는 금속원소가 풍부한 기체이며 마지막으로 항성 사이 기체 중에 존재하는 금속성분이 냉각되어 생성된 먼지다.
현재 이론에 따르면 이 3가지 성분은 전체 은하계에 균등하게 혼합되어 태양의 대기와 유사한 화학성분 분포에 도달한다고 간주하며 이를 태양금속존재도(abundance)라 부른다.
그런데 제네바 대학에서 주도한 한 연구에 따르면 이 3가지 성분의 은하계 내 분포가 균등하지 않고 분포변화가 아주 큼이 밝혀졌다. 이 연구 결과에 따르면 현재 항성계(星系)생성이론에 큰 영향을 끼칠 수 있어 은하계 생성에 대한 인식을 대폭 수정해야 한다.
은하는 여러 개의 항성(恒星)들로 구성되는데 주로 수소와 소량의 헬륨으로 조성된 은하 사이 기체가 냉각되어 형성된다.
“항성계는 외부로부터 떨어져 들어온 원시기체로부터 연료를 제공받아 새로운 항성을 형성합니다.” 제네바 대학 교수이자 이번 연구논문 제1저자인 아날리사 스 시아(Annalisa De Cia)의 말이다.
새로 형성된 항성은 전체 생명 주기 중에서 항성을 만드는 수소를 연소시켜 핵융합으로 다른 원소들을 형성한다. 항성이 마지막에 폭발할 때가 되면 폭발로 인해 철이나 아연, 탄소나 규소 등의 원소를 만들어 내고 또 이런 원소들을 항성계 기체 속으로 수송한다. 그 후 이들 원자가 먼지로 응결될 수 있는데 특히 은하계 속에서 비교적 온도가 낮고 밀집도가 높은 부분에서 응결될 가능성이 더 높다.
“100억 년 전 최초로 은하계가 형성될 때는 금속이 없었습니다. 그 후 항성이 점차적으로 금속이 풍부한 환경을 만들어낸 것이죠.” 연구팀의 해석이다.
그러므로 은하계 환경 속에는 항성이 만들어 내는 금속, 이들 금속으로 형성된 먼지입자 및 은하계 밖에서 정기적으로 들어오는 항성계 사이 기체가 존재한다.
“지금까지의 이론은 모두 이 3가지 원소가 균등하게 섞여 있다고 가정했고 특히 우리 은하계 대부분의 구역은 모두 태양의 금속존재도와 비슷하다고 간주해왔습니다. 단, 은하계 중심에는 다른 곳보다 항성이 더 많기 때문에 금속비율이 좀 클 뿐이었죠.”
파리 천체물리연구소 및 소르본 대학 연구원 패트릭 프티장(Patrick Petitjean)의 설명이다.
“우리는 허블우주망원경을 사용해 자외선 분광기로 이 점을 더 자세히 관찰하려 했습니다.”
분광기는 항성에서 나오는 빛을 색깔과 진동수에 따라 분리하는 것으로 프리즘이나 무지개와 비슷하다. 천문학자들은 이렇게 분해한 빛의 흡수스펙트럼에 특히 관심이 높다.
“우리가 어느 항성을 관찰할 때 항성과 우리 사이의 기체를 구성하는 금속원소에는 일종의 특유한 방식과 특정한 주파수에서 흡수가 줄어드는 분광(分光)이 있습니다. 우리는 이를 통해 금속의 존재뿐 아니라 어떤 금속이고 또 함량은 얼마나 되는지 설명할 수 있습니다.” 패트릭의 말이다.
25시간 안에 과학자들은 허블망원경과 칠레에 있는 거대망원경 VLT를 통해 25개 항성의 대기를 관찰할 수 있다. 하지만 이런 분광기로는 성간먼지를 관측할 수 없고 관측하더라도 금속함량을 알아낼 수 없다. 이에 연구팀은 새로운 관측기술을 개발했다.
“그것은 철, 아연, 티타늄, 규소와 산소 등 여러 원소를 동시에 관찰해 기체와 먼지의 총성분을 고려합니다. 이렇게 하면 먼지 속에 존재하는 금속의 양 추적할 수 있고 또 전에 관찰했던 이미 계산된 수량을 더하면 전체 수량을 얻어낼 수 있습니다.”
연구팀은 이 새로운 관측기술을 이용해 은하계 환경이 균등하지 않을 뿐만 아니라 일부 구역의 금속은 태양금속존재량의 10%에 불과함을 발견했다.
이번 연구는 기존 은하형성이론과 크게 다른 것이다. 하지만 과학자들은 성간물질분포가 이렇게 극적으로 달라지는 것이 어떤 의미가 있는지 아직 잘 모른다.
“이번 발견은 은하형성과 변화의 이론모델에 있어 아주 중요한 것이다. 앞으로 해상도를 더 높인 시뮬레이션을 통해 은하계 여러 위치에서 금속존재량의 변화를 연구할 예정입니다.”
이런 결과는 항성계 특히 은하계 생성이론에 아주 중요하다. 사실 금속원소는 항성, 성간먼지, 분자와 행성의 형성에서도 모두 중요한 역할을 한다. 과학자들은 은하계 속에서 새로 생긴 항성과 행성들이 어쩌면 우리에게 익숙한 태양계와 아주 큰 차이가 있을 것으로 추측하고 있다.
우주의 신비를 알고자 하면 사유를 넓혀야 하며 지금 볼 수 있는 작은 표상에 자신의 관념을 속박시키지 말아야 함을 알 수 있다.
이 연구는 9월 8일 ‘네이처’에 발표되었다.
원문위치: https://www.zhengjian.org/node/270280