300억 광년 이상 떨어진 최초의 은하발견

초기 우주에 대한 연구는 다양하다. 아주 먼 우주의 최초의 별과 은하가 성장하는 것을 관찰하는 연구도 있고 우리 은하수를 조사해 초기 우주에 대한 정보를 알아내는 방법도 있다.

초창기의 별들은 무거운 원소를 거의 갖고 있지 않다. ‘프리스틴(Pristine) 221’ 별은 우리 은하에서 가장 금속이 적은 별 중 하나이자 탄소성분이 거의 없는 두 개 별 중 하나이다. 금속이 매우 부족하다는 것은 은하계에서 형성된 초창기 세대의 별일 가능성이 높음을 의미한다. 태양은 2% 정도의 무거운 원소를 갖고 있어 초창기의 별이 아니라 늦게 만들어진 별 중 하나이다. 태양이 형성되기 훨씬 전에 만들어진 별의 잔해로부터 생성된 것이다.

2020년에는 관측사상 우주에서 가장 먼 가장 오래된 134억 광년인 은하(GN-z11)가 허블 우주망원경에 의하여 발견되었다. 빅뱅 이후 4억년 만에 생성된 은하이다. 2023년 초 빅뱅 이후 4억 년이나 된 336억 광년 떨어진 은하들이 발견되었다. 이 은하들은 지금까지 촬영된 것 모든 관측 중 가장 희미한 적외선 스펙트럼이다. 2023년 말에는 빛의 속도로 330억년 떨어진 은하가 발견됐다. 시간상으로는 빅뱅 후 약 3억3000만년이 흐른 약 134억 년 전이다. 빛이 이동하는 동안 우주도 계속 팽창하여 그 거리는 빛이 이동한 거리보다 훨씬 길다. 두 은하는 젊은 은하로 활발하게 별이 형성되고 있다.

2021년까지는 빅뱅 이후 4억년이 지난 ‘GN-z11’이 가장 먼 은하로 기록돼 있다. 허블 우주망원경은 자외선에서 근적외선까지만 볼 수 있어, 적색이동 11 너머는 볼 수 없다. 적색이동 11 너머의 초기 우주의 은하들은 발견하지 못한다. 

지구에서 멀리 떨어져 높은 적색이동(11 이상)을 보이는 물체는 적외선에 의해서만 감지될 수 있으며, 이것이 제임스 웹 우주망원경(JWST)으로 가능하다.

2022년 10월에는 제임스 웹 우주망원경을 이용해 약 138억 년 전 빅뱅으로 우주가 만들어진 뒤 3억5천만년 밖에 안 된 곳에서 은하 ‘GLASS-z12’를 관측했다는 연구가 나왔다. 허블 우주망원경이 관측할 수 있는 한계 바로 바깥에 있는 은하였다. 이 은하가 존재하려면 빅뱅 뒤 1억 년 만에 형성되기 시작했어야 한다. 우주 암흑시대(Cosmic Dark age)가 생각한 것보다 일찍 끝난 것이다. 우주 암흑시대는 빛 한 점 없이 가스와 암흑물질로만 구성된 시기를 지칭한다.

2022년 12월에는 빅뱅 이후 약 2억~4억 년 후 우주에 처음으로 나타났을 가능성이 있는 87개의 은하를 발견했다. 우주의 아주 초기부터 은하가 형성되기 시작했을지도 모른다. 이번 발견은 우주의 극히 작은 영역에서이기 때문에 빙산의 일각에 불과하다.

그러나 이러한 관측도 빛이 지구에 도달할 수 있는 거리만 가능하다. 만일 은하가 너무 멀리 있어 빛이 영원히 지구에 도달하지 않는다면 그 은하는 영원히 우리는 모를 것이다.