우주는 왜 이렇게 생겼을까? 이것은 일반적으로 천체 물리학과 물리학의 공개 질문 중 하나입니다. 처음 10억 년 동안 우주는 고에너지 입자의 무질서한 수프에서 은하와 별의 더 조직화된 집합으로 진화했지만, 이 과정의 많은 세부 사항은 여전히 우리에게 알려지지 않았습니다.
최근 연구에서 국제 연구자 팀은 초기 우주의 왜소 은하에 초점을 맞춰 제임스 웹 우주 망원경의 관측을 분석한 결과, 이 은하들이 예상보다 훨씬 더 높은 강도로 빛을 방출한다는 사실을 발견했습니다. 이 연구는 우주의 첫 번째 빛의 근원에 대한 우리의 이해에 획기적인 발전을 가져왔습니다.
빅뱅 직후, 우주는 급격한 팽창을 거쳐 극도로 높은 온도와 에너지 수준에 이르렀습니다. 우주 입자의 평균 온도는 섭씨 10^30도 정도였습니다.
그러한 엄청난 열 속에서 아원자 입자들은 서로 결합할 수 없었기 때문에 오늘날 우리가 알고 있는 물질이 전혀 없었습니다. 약 1초 후, 우주는 약 10억도까지 냉각되었고, 입자 물리학의 표준 모형에 따른 물질의 구성 요소인 아원자 입자가 생성되고 결합되어 양성자와 중성자를 형성했습니다.
우주의 탄생이 약 20분 정도 되었을 때, 우주는 이미 섭씨 수십만 도의 온도로 냉각되었습니다. 그런 다음 양성자와 중성자는 수소, 헬륨 및 리튬 이온과 결합하기 시작했습니다.
우주의 온도가 높기 때문에 입자는 매우 높은 에너지를 유지하므로 전자는 양성자와 결합하여 안정된 원자를 형성할 수 없습니다. 그 결과, 우주의 대부분은 전기적으로 대전된 입자들이 서로 공전하는 환경인 플라즈마 상태로 존재하게 되었습니다. 이 플라즈마는 전자기 복사를 차단하여 빛이 우주 전체에 자유롭게 퍼지는 것을 방지했습니다.
다음 370,000년 동안 우주는 온도가 약 4,000도에 도달할 때까지 계속 냉각되었습니다. 이 시점에서 전자는 마침내 플라즈마에 결합하여 중성 원자를 생성할 수 있게 되었습니다. 초기 우주에 대한 통찰력을 제공하는 우주 배경 복사는 이 단계에서 방출되었습니다. 이 방사선은 플라즈마의 존재에 의해 방해를 받지 않았기 때문에 우리에게 먼 거리를 이동할 수 있었습니다.
우주의 나이가 약 400,000년이 된 이 시점에서 우주는 대부분 중성 수소와 헬륨 원자가 우주 전체에 고르게 퍼져 있었습니다. 오늘날의 밤하늘에는 우리에게 친숙한 별, 은하 또는 기타 복잡한 천체가 없었습니다. 특히, 빛의 근원이 없었고 우주는 어둠으로 뒤덮였습니다.
우주가 계속 팽창하고 극적으로 냉각되면서 약 2천만년이 지나서야 우주에서 가장 오래된 광원이 형성되었습니다. 우주의 역사를 연구하는 천체물리학자들은 이러한 광원의 본질과 기원, 언제, 어떻게 만들어졌는지 아직 확신하지 못하고 있습니다.
우주에서 가장 오래된 빛의 근원에 관한 일반적인 이론은 그것이 거대한 블랙홀, 거대한 은하 또는 어린 별일 수 있음을 시사합니다. 초기 우주에서 별과 은하의 형성을 설명하는 포괄적인 이론은 아직 공식화되지 않았으며, 물리학자들은 우주에 최초의 광원이 언제 어떻게 나타났는지 이해하려고 여전히 노력하고 있습니다.
연구자들은 2021년 말에 발사된 제임스 웹 우주 망원경을 사용하여 매우 먼 은하를 관찰하기 시작했습니다. 빛은 유한한 속도로 이동하기 때문에 먼 은하계의 빛이 우리에게 도달하는 데 오랜 시간이 걸립니다. 연구자들은 약 130억년 전 은하계에서 방출된 빛에 초점을 맞춰 관찰했는데, 이 빛은 현재 망원경에 도달해 초기 우주에서 일어났던 과정을 엿볼 수 있게 됐다.
이 먼 은하들은 수십억 년 전 다른 우주체에 비해 빛을 덜 방출하는 어린 은하였던 것처럼 우리에게 나타납니다. 따라서 기존의 방법으로는 이렇게 멀리 있는 은하를 관찰하기가 어렵습니다.
이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 최첨단 기술을 사용했습니다. 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 기반으로 한 무거운 질량은 공간을 휘게 하고 근처를 지나가는 빛의 경로를 구부릴 수 있다고 제안했습니다.
연구자들은 거대한 질량으로 인해 뒤에서 오는 빛을 확대하고 집중시키는 중력 렌즈 역할을 하는 거대한 은하단 Abell 2744 뒤에 위치한 은하에 초점을 맞췄습니다. 이를 통해 연구자들은 망원경에 도달하는 빛의 양을 늘릴 수 있었고 더 정확한 관찰이 가능해졌습니다.
연구자들은 약 10억 개의 별만 포함하는 은하인 왜소은하에서 나오는 빛을 분석했습니다. 이에 비해 우리가 살고 있는 은하수에는 수천억 개의 별이 있습니다. 연구자들은 관측 결과를 주의 깊게 분석한 결과 이 왜소 은하가 이전에 추정했던 것보다 4배 더 강한 방사선을 방출한다는 사실을 발견했습니다.
더욱이, 이 왜소은하는 더 큰 은하보다 초기 우주에서 더 흔했습니다. 결과적으로 연구자들은 우주의 초기 광원의 대부분이 이러한 유형의 은하일 것으로 예상합니다.
이 연구는 제임스 웹 우주 망원경의 도움으로 달성된 과학적 성과의 또 다른 예입니다. 결과는 주목할 만하지만, 연구자들은 결론의 타당성을 강화하기 위해 더 넓은 은하 표본에 대한 관찰을 포함한 추가 연구가 필요하다고 강조합니다.
