첫 별우주의 첫 빛은 어떻게 켜졌나

우주의 첫 빛은 빅뱅 약 1억 5천만 년 뒤에 켜진 첫 별에서 나왔습니다. 태양 질량의 수백 배에 이르는 거성이었습니다. 그보다 앞서 1억 년 무렵에는 암흑 물질 헤일로가 이미 만들어져, 그 중력 우물이 가스를 모으기 시작했습니다. 이 거성들이 켜지자 별빛이 중성 수소를 다시 이온화했고, 거성들이 죽을 때는 무거운 원소를 처음으로 우주 공간에 흩뿌렸습니다.

이 시대는 1억 5천만 년부터 10억 년까지이며, 별의 탄생과 함께 블랙홀과 퀘이사의 출현도 있었습니다.

여섯 개의 사건

• 1억 년 · 암흑 물질 헤일로 형성: 중력 우물이 가스를 모으기 시작합니다. 보이지 않는 거대한 그릇을 떠올려 보세요. 가스가 벽을 타고 미끄러져 바닥에 쌓입니다.
• 1억 5천만 년 · 첫 별: 태양 질량의 수백 배인 거성이 점화됩니다.
• 2억 년 · 우주 재이온화: 별빛이 중성 수소를 다시 이온화합니다.
• 2억 년 · 첫 초신성: 무거운 원소가 처음으로 우주 공간에 흩뿌려집니다. 별은 빛나기만 하는 것이 아니라 최초의 "연금술 용광로"입니다.
• 3억 년 · 첫 블랙홀: 거성의 핵이 붕괴해 블랙홀이 됩니다.
• 7억 년 · 퀘이사: 초대질량 블랙홀이 물질을 삼키며 빛납니다.

이 단계들은 서로 의존합니다. 중력 우물이 없으면 가스가 모이지 못합니다. 별이 없으면 초신성도, 이후의 블랙홀도 없습니다. 블랙홀이 없으면 퀘이사도 없습니다. 연도는 근삿값이며, 실제로 이 과정들은 연속적으로 일어나며 서로 겹쳤습니다.

보이지 않는 중력 우물: 암흑 물질

가장 이른 단서는 은하단에서 왔습니다. 머리털자리 은하단의 은하들이 너무 빨리 움직이자 누군가 "암흑 물질"을 제안했고, 이 생각은 수십 년간 무시되었습니다(Zwicky, Helvetica Physica Acta, 1933). 1970년에 증거가 돌아왔습니다. 안드로메다 은하의 바깥쪽이 너무 빨리 돌고 있어서, 보이지 않는 물질이 많이 있어 중력을 보태 주어야 합니다. 암흑 물질은 더 이상 추측만이 아니게 되었습니다(Rubin and Ford, The Astrophysical Journal, 1970).

더 직접적인 증거는 두 은하단이 충돌했을 때 나왔습니다. 가스는 가운데에 남았고 중력의 중심은 양쪽으로 가 있었으니, 암흑 물질이 "튕겨 나간" 것입니다. 논문 제목은 이를 암흑 물질 존재의 "직접적인 경험적 증거"라고 부릅니다(Clowe et al., The Astrophysical Journal Letters, 2006).

별은 왜 빛나고, 어떻게 죽나

태양은 어떻게 수십억 년 동안 탈 수 있을까요? 별은 핵융합으로 빛납니다. 이 수수께끼는 "별의 에너지 생성"이라는 제목의 논문에서 풀렸습니다(Bethe, Physical Review, 1939). 별이 죽은 뒤의 운명에도 한계가 있습니다. 백색왜성의 최대 질량은 태양 질량의 약 1.4배이고, 이를 넘으면 별은 반드시 계속 붕괴합니다(Chandrasekhar, The Astrophysical Journal, 1931).

블랙홀: 간접 증거에서 그림자까지

은하 중심 근처 별들의 궤도를 10년 넘게 추적한 결과 태양 질량 약 400만 배의 블랙홀이 거기 숨어 있음이 드러났습니다. 이 연구는 2020년 노벨상을 받았습니다(Ghez et al., The Astrophysical Journal, 2008). 13억 년 전 두 블랙홀이 합쳐졌고, 인류는 마침내 시공간의 잔물결을 들어 한 세기 전 아인슈타인의 예측을 확인했습니다(Abbott et al., LIGO and Virgo, Physical Review Letters, 2016). 전 세계의 전파 망원경이 지구만 한 "가상 망원경"을 이루어 M87 은하 중심 블랙홀의 그림자를 촬영했습니다(Event Horizon Telescope Collaboration, The Astrophysical Journal Letters, 2019).

아직 풀리지 않은 수수께끼

우주 나이가 7억 년도 안 되었을 때 이미 태양 질량 8억 배의 블랙홀이 있었습니다. 어떻게 그렇게 빨리 자랐을까요? 아직 수수께끼입니다. 논문 제목은 적색편이 7.5와 "상당히 중성인 우주"라는 두 조건도 밝혀 둡니다(Bañados et al., Nature, 2018).

원문이 궁금하다면? 아래 제목으로 검색하세요

• Zwicky (1933): Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln, 대략 "은하 밖 성운의 적색편이"
• Rubin and Ford (1970): Rotation of the Andromeda Nebula from a spectroscopic survey of emission regions
• Clowe et al. (2006): A direct empirical proof of the existence of dark matter
• Chandrasekhar (1931): The maximum mass of ideal white dwarfs
• Bethe (1939): Energy production in stars
• Ghez et al. (2008): Measuring distance and properties of the Milky Way's central supermassive black hole with stellar orbits
• Abbott et al. (2016): Observation of gravitational waves from a binary black hole merger
• Event Horizon Telescope (2019): First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The shadow of the supermassive black hole
• Bañados et al. (2018): An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift of 7.5

게임에서는 어떻게 보여 줄까

게임에서 최초의 별 시대의 시간 범위는 "1억 5천만 년~10억 년"이고 자원은 별입니다. 생성기는 암흑 물질 헤일로, 가스 붕괴, 원시별, 종족 III 거성이며, 위에서 설명한 "중력 우물에서 별까지"의 과정 순서와 대략 맞습니다.