우주 최초의 별이 남긴 흔적, 130억년 된 왜소은하에서 발견

우주 최초의 별 폭발 흔적을 간직한 별 'PicII-503'이 속한 초소형 왜소은하 픽터 II. 수천 개의 별로 이루어진 이 은하는 수령이 100억 년을 넘는다. CTIO, NOIRLab, DOE, NSF, AURA 제공

우주 최초의 별이 폭발하며 뿌린 물질을 그대로 간직한 별이 발견됐다. 

아니루드 치티 미국 스탠퍼드대 연구원 등 국제 공동연구팀은 지구에서 약 4만5700광년 떨어진 초소형 왜소은하 픽터 II에서 우주 최초의 별 폭발 흔적을 보존한 별 'PicII-503'을 발견한 연구결과를 국제학술지 '네이처 천문학'에 16일(현지시간) 발표했다.

우주 최초의 별들은 빅뱅 직후 수소와 헬륨만으로 이루어진 환경에서 탄생한 것으로 여겨진다. 별들이 폭발하며 처음으로 철·칼슘·탄소 같은 무거운 원소들을 우주에 뿌렸고 다음 세대 별이 만들어졌다. 최초의 별이 어떤 방식으로 폭발했는지는 이후 세대 별의 성분을 분석하면 역추적할 수 있다. 지금까지는 별이 어떤 환경에서 만들어졌는지는 알기 어려웠다.

연구팀은 전체 하늘의 약 5%에 해당하는 남반구 하늘을 특수 필터로 촬영한 데이터에서 픽터 II 왜소은하의 후보 별들을 추렸다. 철·칼슘 함량이 가장 낮을 것으로 예상된 별 'PicII-503'을 칠레 라스캄파나스 천문대 6.5m 마젤란 망원경과 유럽남방천문대 8.2m 초대형 망원경(VLT)으로 정밀 분광 관측해 성분을 분석했다.

분석 결과 PicII-503은 은하수 밖에서 관측된 별 중 철과 칼슘 함량이 가장 낮았다. 철은 태양의 4만3000분의 1, 칼슘은 16만분의 1 수준이었다. 탄소는 태양보다 3000배 이상 많았다. PicII-503의 성분 조합은 최초의 별이 낮은 에너지로 폭발하는 초신성을 일으켰을 때 나타나는 패턴과 정확히 일치한다. 

강력한 폭발은 그 에너지가 너무 커서 잔해가 작은 은하의 중력을 뚫고 우주 공간으로 흩어져 버린다. 반면 약한 폭발의 잔해는 은하 안에 그대로 남아 다음 세대 별을 만드는 재료가 된다. 픽터 II처럼 중력이 약한 작은 은하일수록 약한 폭발의 흔적만 남기 때문에 최초의 별이 어떻게 폭발했는지 더 순수하게 기록하고 있다는 뜻이다. 픽터 II는 은하를 이루는 별의 총질량이 태양의 약 2000배에 불과해 알려진 은하 중 가장 작고 원시적인 곳 중 하나다.

이번 발견은 우리 은하 내에서 관측되는 탄소 과잉 별들의 기원을 설명하는 데도 실마리를 제공한다. 지금까지 별들이 어디에서 만들어졌는지는 불분명했는데 PicII-503은 별들이 픽터 II 같은 원시 왜소은하에서 태어나 이후 우리 은하에 흡수됐을 가능성을 뒷받침한다.

연구팀은 "현재 제임스웹 우주망원경으로도 직접 관측하기 어려운 우주 초기 가장 작은 은하들의 화학적 진화를 들여다볼 수 있는 창구를 열었다"며 "차세대 30m급 망원경이 가동되면 이런 원시 별들을 더 많이 발견해 최초의 별이 형성된 환경을 더 정밀하게 규명할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

<참고> 
doi.org/10.1038/s41550-026-02802-z

[임정우 기자 jjwl@donga.com]