우주 생명체 탄생 시기 새로 써야...우주 여명기에 이미 탄소 존재

JWST의 딥 필드 이미지로 본 초기 우주/NASA제공

제임스 웹 우주 망원경(JWST)이 빅뱅 이후 3억 5천만 년에 불과한 은하계에서 탄소를 발견했다. 이는 생명체의 탄생이 그동안 생각해왔던 것보다 훨씬 더 일찍 시작됐음을 의미한다.

우주의 시작을 알리는 빅뱅은 지금으로부터 138억년 전에 있었던 것으로 과학계는 보고 있다.

JWSTRK 우주 여명기에 생명체의 핵심 구성 요소인 탄소를 발견하면서 그동안 최초의 은하에 대해 알고 있던 생각을 뒤집었다. 빅뱅 이후 3억 5천만 년 만에 나타난 이 발견은 우주에서 수소 이외에 가장 빨리 발견된 원소에 해당한다.

이 연구는 천문학 전문 학술지 아스트라노미 앤 아스트로피직스(Astronomy & Astrophysics) 저널에 실릴 예정이다.

공동저자인 로베르토 마이올리노 케임브리지 대학 카블리 우주론 연구소의 실험 천체물리학 교수는 성명을 통해 "그동안 탄소가 비교적 대량으로 형성된 시기가 빅뱅 이후 10억 년 후로 추정해 왔지만 이번 연구로 훨씬 이전이었음이 밝혀졌다"고 했다. 그러면서 "이번 연구에서 발견된 탄소는 우주에서 가장 오래된 금속일 수 있다."고 덧붙였다.

천문학에서는 수소와 헬륨보다 무거운 원소를 금속으로 분류한다. 수소와 미량의 리튬을 제외하고는 이들 원소가 별의 중심 초고온에서 만들어져 초신성이라 불리는 별의 폭발에 의해 우주 전역에 분포되었기 때문이다.

무거운 원소를 만들고 씨를 뿌리는 이 과정은 한때 행성을 형성할 수 있을 만큼 무거운 원소가 본격적으로 이용되기 이전에 많은 별들이 수명 유지를 위해 필요로 했을 것으로 여겨졌다. 그러나 이번 발견은 이런 선입견에 도전장을 던졌다.

마이올리노는 "우주 초기의 별들이 탄소보다 훨씬 더 많은 산소를 생산한다고 생각되었기 때문에 우리는 우주 초기에 관찰된 탄소를 보고 놀랐다."고 했다. 그러면서 "우리는 탄소가 훨씬 나중에 완전히 다른 과정을 통해 농축되었을 것으로 생각해 왔지만, 매우 이른 시기에 나타난다는 사실은 바로 그 최초의 별들이 매우 다른 방식으로 작동했을 가능성을 시사하는 것이다."고 설명했다.

이번 발견을 하기 위해, 천문학자들은 JWST를 사용해 GS-z12로 알려진 고대 은하를 관찰했다. 망원경의 근적외선 분광기를 사용해 초기 은하계의 화학 성분을 읽을 수 있는 스펙트럼으로 이 초기 빛을 분해했다.

은하수보다 질량이 10만 배나 작은 이 외딴 은하에서 발견한 것은 산소와 네온이 탄소라는 강한 신호와 섞여있는 흔적이었다.

연구원들에 따르면, 당초 생각했던 것보다 더 적은 에너지로 별들이 붕괴되었기 때문으로 추정해볼 수는 있지만 우주 생명체 초기에 어떻게 탄소가 형성될 수 있었는지는 아직 정확히 알 수 없다. 

탄소가 별들의 외피에서 형성되었을 것이므로, 붕괴하는 별로부터 형성된 블랙홀 안으로 빨려 들어가지 않고 초기 우주를 탈출해 씨앗을 뿌릴 수 있었을 것이다.

"이러한 관찰은 초기 우주에서 탄소가 빠르게 농축될 수 있다는 것을 말해준다,"고 카블리 우주론 연구소의 천체 물리학자 인 프란체스코 듀게니오가 성명서에서 말했다. "그리고 탄소는 우리가 알고 있는 것처럼 생명체의 기본이기 때문에, 생명체가 우주에서 훨씬 나중에 탄생했을 것이라고 생각한다면 사실이 아닐 수 있다. 즉, 생명체는 아마도 훨씬 더 일찍 출현했을 것이다. 우주의 다른 곳에 생명체가 있다면, 지구에서와 매우 다르게 진화했을지도 모른다."