‘형제’ 많은 아기별, 300만년 일찍 우주 요람 걷고 빛났다

곽노필의 미래창
제임스웹·허블망원경, 9000개 성단 분석 결과
성단 규모 클수록 가스 구름 걷어내는 시간 짧아
질량 큰 것 500만년…작은 것 700만~800만년

제임스웹우주망원경의 근적외선 카메라(NIRCam)로 포착한 소용돌이은하(M51)의 나선팔 일부. 붉은색과 주황색은 별이 탄생하는 두꺼운 가스 구름, 흰색 점들은 별이다. 유럽우주국 제공

별은 거대한 가스 구름이 중력의 힘으로 수축하는 과정에서 탄생한다. 그러나 ‘나 홀로’ 태어나기보다는 거대한 가스 구름 속에서 형제들과 함께 태어나는 것이 일반적이다. 가스 구름의 밀도가 높은 곳을 중심으로 주변 가스들이 뭉치면서 수십, 수백개의 아기별이 거의 동시다발적으로 태어나 성단을 이룬다.

아기별들이 모인 성단은 처음엔 모태가 된 가스 구름에 둘러싸여 있다. 그러다 어느 순간 강력한 항성풍과 자외선을 뿜으며 장막을 걷어내고 드넓은 우주를 향해 빛을 쏟아낸다. 마치 자궁 속의 태아가 다 자라고 나면 양막을 헤치고 세상 밖으로 나오는 것과 같다. 하지만 그 시기가 언제인지는 베일에 싸여 있었다.

이번 연구에서 조사한 4개의 은하. 왼쪽 위부터 시계 방향으로 M51, M83, NGC 628, NGC 4449. 중심부의 파란색은 밝은별, 주황색과 노란색은 이온화된 가스, 빨간색은 먼지 입자와 다환방향족 탄화수소를 나타낸다. 스톡홀름대 제공

큰 성단은 500만년, 작은 성단은 800만년

스웨덴 스톡홀름대가 중심이 된 국제 공동연구진이 그 베일을 벗겨낼 단서를 찾아내 국제학술지 ‘네이처 천문학’에 발표했다. 한마디로 아기별 형제가 많을수록 더 빨리 우주 요람을 걷어차고 세상 밖으로 나온다는 것이다.

우리 은하에서 수천만 광년 떨어진 소용돌이은하(M51), 남쪽바람개비은하(M83), 팬텀은하(NGC 628), NGC 4449 은하 네 곳에 있는 약 9000개의 젊은 성단에 대한 제임스웹우주망원경(JWST)과 허블우주망원경의 관측 데이터를 종합해 분석한 결과다. 제임스웹은 적외선으로 가스 구름 속을 꿰뚫어 보았고, 허블은 가시광선으로 가스 구름에서 벗어난 별들을 선명하게 포착했다.

분석 결과 질량이 큰 성단은 탄생 후 약 500만년 만에 가스 구름을 완전히 걷어내고 독립하는 것으로 나타났다. 반면 질량이 작은 성단은 가스 구름을 벗어나는 데 700만~800만년이 걸렸다. 형제별이 많을수록 더 강력한 에너지를 방출해 자신을 감싸고 있던 장막을 더 빨리 치워버렸다.

지구에서 2700만 광년 거리에 있는 소용돌이은하(M51)의 한 나선팔에 있는 지름 800광년의 별 형성 구역을 차례로 확대해서 보여주는 사진. 유럽우주국 제공

주변 별의 행성 만드는 기회 박탈

천문학자들이 이 시기에 주목하는 이유는 이것이 은하 전체의 에너지 흐름에 큰 영향을 미치기 때문이다.

가스 구름 밖으로 일찍 나온 성단은 강력한 자외선을 그만큼 빨리 은하에 퍼뜨린다. 이 빛과 에너지는 주변의 다른 가스 구름을 밀어내거나 흩어버려, 새로운 별이 만들어지는 것을 방해하거나 촉진한다.

이는 외계 행성의 탄생에도 영향을 미칠 수 있다. 별 주변에서 행성이 만들어지려면 충분한 가스와 먼지가 공급되어야 한다. 그런데 성단이 가스 구름을 너무 빨리 걷어내 버리면, 강력한 자외선이 인근 별 주위의 원시행성계 원반에서 행성의 재료가 될 가스를 증발시켜 버린다. 행성을 만드는 기회를 박탈해버리는 셈이다.

M51 은하의 별 형성 구역을 근접 촬영한 사진. 붉은색과 주황색 가스 구름 안쪽의 밝은 청백색 점들이 성단이다. 유럽우주국 제공

태양은 어떻게 ‘나홀로 별’이 됐을까

이런 과정은 우리가 속해 있는 태양계가 어떤 환경에서 태어났는지를 유추해볼 수 있는 대목이기도 하다. 현재 태양은 어떤 성단에도 속해 있지 않다. 하지만 처음부터 그랬던 건 아닌 것으로 본다. 46억년 전 탄생 당시엔 형제 별들과 함께 한 성단의 일원으로 태어났다가 주변 별과 성단, 가스 구름의 중력 영향으로 형제 별들이 뿔뿔이 흩어지면서 오늘날 ‘나홀로 별’이 됐다는 것이다.

연구를 주도한 안젤라 아다모 교수(스톡홀름대)는 “이번 연구를 통해 그동안 시뮬레이션으로만 짐작하던 성단의 탄생과 성장 과정을 실제 관찰을 통해 확인했다”며 “이는 은하의 진화와 행성의 운명에 대한 중요한 정보”라고 말했다.

*논문 정보

The emerging timescale of young star clusters regulated by cluster stellar mass.

https://doi.org/10.1038/s41550-026-02857-y

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr