알고 보면 가벼운 몸? 태초의 별은 생각보다 작았다 [아하! 우주]

[서울신문 나우뉴스]

빅뱅 이후 2억 년 시점의 종족 III 별 생성 시뮬레이션. Credit: ASIAA/ Ke-Jung Chen

별에도 종족이 있다. 물론 사람처럼 민족이나 인종 개념이 있는 것은 아니지만, 구성 성분을 보면 어떤 시기에 생겼는지 알 수 있어 이에 따라 종족 (population) I과 종족 II 별로 나눌 수 있다.

종족 I은 태양 같은 일반적인 별로 수소와 헬륨보다 무거운 원소가 많은 별이다. 따라서 주변에 행성을 거느리고 있을 가능성도 높다. 반면 종족 II는 무거운 원소가 별로 없는 별이다.

현재 표준 우주 모델에 의하면 빅뱅 직후의 초기 우주에는 무거운 원소가 없었지만, 초신성 폭발과 함께 최후를 맞이한 무거운 별들이 이런 원소를 우주에 공급했다. 따라서 종족 I은 비교적 최근에 만들어진 신세대이고 종족 II는 오래된 노령층이라고 할 수 있다.

그런데 이 이론이 맞다면 무거운 원소가 전혀 없는 태초의 별이 있을 수밖에 없다. 과학자들은 한 번도 관측한 적은 없지만, 이론적으로 존재를 의심하기 힘든 태초의 1세대 별을 종족 III라고 명명했다.

오랜 세월 관측에도 과학자들이 종족 III 별을 한 번도 보지 못한 이유는 가스의 밀도가 지금과는 비교할 수 없을 정도로 높은 시절에 생성된 거대한 별이기 때문이다. 별이 무거울수록 중심부의 핵융합 반응이 강하게 일어나면서 역설적으로 연료를 금방 소진하고 초신성으로 최후를 맞이하는 시간이 짧아진다.

과학자들은 종족 III 별의 질량이 태양의 수백 배에 달했을 것으로 보고 있는데 이 경우 수명은 수백만 년에 불과하다.

과학자들은 이 이론을 증명하기 위해 무거운 원소가 아주 적은 종족 II 별을 상세히 관측했다. 이 별들이 종족 III 별의 잔해에서 생성된 것이기 때문이다. 이를 통해 추정한 종족 III 별의 질량은 태양의 12-60배 정도였다.

그런데 이 값은 초기 우주의 시뮬레이션 모델에서 얻어진 것과 상당한 차이가 있었다. 대부분의 우주 모델은 종족 III 별의 질량을 태양의 50-1000배 정도로 추정했다.

이렇게 모델과 관측 결과가 맞지 않는 것은 과학자들에겐 사소한 문제가 아니라 이론 전체를 바꿔야 하는 중대한 문제다. 관측과 이론 모델 중 어느 쪽에 맞는지 보기 위해 대만 국립 천문학 및 천체물리 연구소 (ASIAA)의 과학자들은 미국 국립 버클리 연구소의 슈퍼컴퓨터를 이용해서 역대 가장 상세한 우주 시뮬레이션을 시행했다.

슈퍼컴퓨터 속에서 재현한 초기 우주에서 높은 밀도의 수소 가스들은 중력에 의해 뭉쳐 태양 질량의 22-175배 사이의 덩어리를 만들었다. (사진) 그러나 이 가스가 모두 별이 되는 것은 아니고 일부만 별을 생성하기 때문에 최종적으로 태양 질량의 8-58배 정도 되는 별이 만들어졌다. 이는 관측치와 부합되는 결과다.

종족 III에 해당하는 별이 없으면 태양을 포함해 우주에 있는 다른 별도 있을 수가 없고 지구 같은 행성도 존재할 수 없기 때문에 과학자들은 종족 III 별의 정체를 알아내기 위해 노력하고 있다. 이번 연구는 종족 III 별에 대한 논란을 해소하고 실체에 좀 더 다가갈 수 있는 결과로 주목된다.

고든 정 과학 칼럼니스트 jjy0501@naver.com