최초의 은하는 언제 만들어졌을까? 아직 불확실하다!

최초의 은하와 은하단이 언제 어떻게 만들어졌는지는 과학계의 오랜 숙제 가운데 하나다. 빅뱅 이후 혼란으로 가득 찼던 초기 우주에서는 규칙적인 형태의 은하는 거의 없거나 존재하지 않는 것으로 생각한다.

막대 모양의 은하 구조가 형성되려면 특정형태를 발달시킬 수 있을 정도의 질서가 은하에 존재해야 한다. 은하의 원반 구조는 시간이 지나면서 내부 구성요소의 중력 불균형과 회전속도 차이로 중심부가 찌그러지면서 가운데에 막대 구조가 형성된다. 은하 내부가 안정을 찾으며 점차 복잡하고 정교한 막대 구조가 만들어진다. 은하의 막대 구조는 성숙한 은하에서 발견되는 특징이다. 막대 구조는 복잡하고 정교하기 때문에 만들어지기까지 오랜 시간이 걸리기 때문이다. 우주 생성 초기에는 막대나선은하와 같은 규칙 형 은하가 있을 수 없다. 실제 젊은 은하에서 막대 구조가 거의 확인되지 않았다.

‘은하의 질서’가 생기려면 수십억 년이 걸릴 것으로 추정한다. 우리 은하처럼 큰 회전 원반은하가 출현하려면 빅뱅 이후 적어도 60억년은 지나야 가능하다. 즉 은하 형성모델은 은하가 잘 정돈된 원반 형태를 갖추려면 빅뱅 이후 60억년은 지나야 한다는 것이다. 은하가 주변의 작은 은하를 합병하고 뜨거운 가스 덩어리를 모아 덩치를 키우고 정돈되려면 이 정도 시간이 걸린다.

제임스 웹 우주망원경(James Webb Space Telescope, JWST) 덕분에 우주 역사 초기 첫 10억 년을 탐구할 수 있게 됐다. 제임스웹우주망원경은 우주 나이로는 형성되기엔 너무 이른 시점에 이미 거대 은하로 보이는 천체들을 다수 발견했다.

일부 천체물리학자들은 이들 예외가 질량이 태양의 백만 배에 달하는 초거대 암흑별(dark star)일 수 있다는 가설을 제시해왔다. 암흑별이 붕괴할 때 초거대 블랙홀의 ‘씨앗'이 될 수 있기 때문이다. 우주 초기에 거대한 블랙홀이 존재했던 이유를 설명할 수 있는 유력한 시나리오로 주목받고 있다. 암흑별은 스스로 빛을 내지만, 그 에너지원이 다르다. 태양처럼 핵융합으로 빛을 내는 대신, 내부에서 상호작용하는 암흑물질 입자가 서로 소멸하며 방출하는 에너지로 존재를 유지한다. 초거대 암흑별은 수소와 헬륨으로 이루어진 거대한 구름이 내부 암흑물질의 미세한 소멸 에너지에 의해 중력 붕괴를 막으며 존재한다. 제임스웹우주망원경(JWST)이 암흑별 흔적을 포착했다는 연구가 2025년 나왔다. 이 천체들이 초기 은하일 가능성도 완전히 배제한 것은 아니다. 추가연구가 이어질 것이다.

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2513193122

지속적으로 이상(anomaly) 현상이 나타나고 있다. 그러나 여전히 아직은 ‘표준’ 모델을 바꿀 상황은 아니다. 패러다임이 바뀌는 과학혁명의 전조인지, 패러다임 내에서 새로이 설명될 현상인지는 두고 볼 일이다. 모르는 것이 너무 많다. 그것이 과학이다. 무한한 우주만큼 과학도 무한하다.