먼지에 가려진 우리은하 중심부 구상성단, 나이는 134억 년

우리은하 중심부 근처, 짙은 먼지 뒤에 숨겨진 희미한 별무리가 우주가 겨우 수억 년밖에 되지 않았을 때 형성된 것으로 밝혀졌다. 주로 칠레에 기반을 둔 천문학자 팀이 이 구상성단의 나이를 처음으로 측정했으며, 그 결과는 이 성단을 우리은하에서 가장 오래된 천체 중 하나로 자리매김하게 했다. 이번 측정에는 실제로 시계 역할을 할 수 있는 별들이 사용됐다.

이번 발견은 단 하나의 성단을 넘어 중요한 의미를 지닌다. 우주보다 더 오래된 것은 존재할 수 없기에, 우리가 나이를 측정할 수 있는 가장 오래된 별들은 우주의 나이에 하한선을 설정해준다. 그리고 이 성단은 이제 그 하한선에 바짝 다가서고 있다.

VVV CL001로 등재된 이 성단은 새로운 추정치에 따르면 134억 년(오차 범위 ±4억 년)의 나이를 가졌다. 우주의 나이는 약 138억 년이므로, 이 성단의 별들은 빅뱅 이후 약 4억 년 만에 탄생한 셈이다. 이전 연구들은 VVV CL001의 나이를 약 120억 년으로 추정했지만, 그 어떤 연구도 성단 내부를 충분히 깊이 들여다보며 나이를 직접 읽어낼 수는 없었다.

이 연구는 이탈리아 나폴리의 INAF 카포디몬테 천문대와 칠레 가톨릭대학교의 훌리오 올리바레스 카르바할(Julio Olivares Carvajal)이 이끌었으며, 학술지 천문학 및 천체물리학(Astronomy & Astrophysics)에 게재 승인됐다.

겨우 보이는 별무리의 나이를 측정하는 법

VVV CL001은 궁수자리 방향, 은하 중심을 둘러싼 복잡한 팽대부(bulge)에 자리 잡고 있다. 우리와 이 성단 사이에는 엄청난 양의 성간 먼지가 있어 가시광선이 약 5,000배나 약해진다. 천문학자들은 유럽남방천문대(ESO)의 VISTA 망원경이 촬영한 적외선 영상에서야 이 작고 희미한 무리를 발견할 수 있었다. 수백만 개의 전경 별들 사이에 묻혀 있던 것이다.

첫 번째 문제는 어떤 별들이 이 성단에 속하는지 결정하는 일이었다. 연구팀은 칠레 라스 캄파나스 천문대에 있는 6.5m 마젤란 바데 망원경의 포스타(FourStar) 카메라로 촬영한 적외선 이미지와 최신 허블 우주망원경 이미지를 비교 분석했다. 그 시차는 거의 13년에 걸쳐 있다. 성단에 속한 별들은 함께 하늘을 떠돌아다니는 반면, 주변 별들은 다른 방향으로 움직인다. 이러한 움직임을 통계적으로 분류한 결과, 이전 어떤 연구보다 훨씬 많은 155개의 구성원 별들이 식별됐다.

두 번째 문제는 거리였다. 연구팀은 성단의 수평가지(horizontal branch)에 있는 별 두 개를 찾아냈다. 수평가지는 늙은 별들이 예측 가능한 밝기로 헬륨을 태우는 단계다. 이 별들을 칠레의 4m 블랑코 망원경에 장착된 암흑에너지카메라(Dark Energy Camera) 데이터와 함께 사용한 결과, 거리는 약 24,000광년(오차 범위 약 1,500광년)으로 측정됐다. 이는 이 성단에 대해 지금까지 측정된 가장 정밀한 거리다.

그제야 시계를 읽을 수 있었다. 구상성단의 모든 별은 거의 동시에 태어났으며, 무거운 별일수록 중심부의 수소를 먼저 소진한다. 별들이 주계열을 막 떠나기 시작하는 지점을 ‘턴오프(turnoff)’라고 하는데, 성단의 나이가 들수록 이 지점은 더 어둡고 붉은 별 쪽으로 이동한다. 허블의 심층 적외선 이미지는 이번에 처음으로 이 턴오프 지점을 포착했다. 두 가지 독립적인 항성 모델을 적용한 결과 각각 134억 7천만 년과 133억 9천만 년이라는 값이 나왔고, 연구팀은 이를 종합해 134억 년으로 발표했다.

134억 년은 얼마나 오래된 것일까

태양의 나이는 약 46억 년이므로, VVV CL001은 거의 세 배는 더 나이가 많다. 이 성단의 별들은 최초의 은하들이 아직 형성되고 있을 때 이미 빛나고 있었다. 제임스 웹 우주망원경은 먼 거리에서 확대된 은하 내부에 있는 작고 갓 태어난 별무리들을 포착하기 시작했으며, 그중 일부는 우주 탄생 후 10억 년도 채 되지 않은 시점의 모습이다. 연구팀은 VVV CL001이 그 1세대 별무리들 중 하나가 살아남아 오늘날까지 궤도를 돌고 있는 것이라고 주장한다.

우리은하에는 약 170개의 알려진 구상성단이 있으며, 가장 오래된 것들은 팽대부에 위치한다. NGC 6558은 132억 년, NGC 6256은 130억 년, HP1은 129억 년으로 측정됐다. 올해 다른 연구팀은 팽대부 성단 Ton 2의 나이를 136억 년으로 추정했다. 나이만 놓고 보면 VVV CL001은 이들 중 확연히 앞서기보다는 같은 좁은 범위 내에 있다.

이 성단을 차별화하는 것은 화학적 조성이다. 수소 대비 VVV CL001 별들의 철 함량은 태양의 약 0.6%에 불과한데, 이는 팽대부에서 알려진 구상성단 중 가장 금속 함량이 낮은 것이다. 무거운 원소는 별의 세대가 거듭될수록 축적되므로, 이렇게 무거운 원소가 부족한 성단은 거의 순수한 가스로부터 형성되었을 가능성이 높다. 이것이 바로 저자들이 이 성단을 단순히 가장 오래된 성단 중 하나가 아니라, 우리은하에서 가장 오래된 성단의 강력한 후보라고 부르는 이유다.

은하 핵에서 태어나 우주의 나이에 대해 말하다

궤도는 이야기의 나머지 부분을 설명해준다. 새로운 거리 측정 결과 VVV CL001은 은하 중심에서 약 7,300광년 이상 벗어나지 않고, 약 2,100광년까지 근접하는 길쭉한 궤도를 도는 것으로 나타났다. 이 궤도는 이 성단이 우리은하의 핵에서 태어난 토착 성단임을 의미하며, 지나가던 왜소은하로부터 나중에 빼앗겨 온 성단이 아님을 시사한다. 중력이 대부분의 성단을 찢어발기는 중심부에 그토록 가까이서 오랫동안 생존했다는 사실은, 저자들의 추정에 따르면 이 성단이 처음에 태양 질량의 약 100만 배에 달하는 질량으로 시작했음을 암시한다.

우주론적 중요성은 오랜 논쟁에서 비롯된다. 우주가 팽창하는 속도에 대한 측정값들은 서로 일치하지 않으며, 더 빠른 팽창 속도가 맞다면 우주는 다소 젊어야 한다. 매우 오래된 별들은 우주가 얼마나 젊을 수 있는지에 제한을 둔다. 결론 부분에서 저자들은 VVV CL001이 이러한 나이를 가진 토착 성단으로 확인된다면, 우리은하의 나이, 나아가 우주의 나이까지 재고해야 할 필요가 있을 것이라고 적었다.

해결되지 않은 과제들

명시된 오차 범위 ±4억 년은 오류의 일부에 불과하다. 연구팀은 거리 측정에서 비롯된 약 10억 년의 계통적 불확실성도 추가로 언급했는데, 이는 여전히 가장 취약한 고리다. 이전 연구의 약간 더 작은 거리 값을 사용하면, 같은 방법으로 137억 년이라는, 실질적으로 우주의 나이와 맞먹는 값이 나온다. 저자들은 이것이 양날의 검이라고 지적한다. 성단이 더 멀리 있고 더 젊을 수도 있지만, 훨씬 더 가까울 수는 없다. 그렇지 않으면 그 별들이 우주보다 더 나이가 많아지기 때문이다.

허블조차도 나이 측정에서 가장 민감한 부분인 완전한 턴오프 지점을 포착하지는 못했다. 확인된 수평가지 별은 단 두 개에 불과했고, 거리 측정의 기준으로 자주 사용되는 맥동 변광성인 RR Lyrae형 별 중 이 성단에 속한 것은 하나도 없었다. 또한 성단 앞의 먼지 분포도 고르지 않다. 모든 나이 측정은 항성 모델에 의존하는데, 여기서 사용된 모델들은 서로 일치하지만 많은 가정을 공유하고 있다.

이전 연구 결과와의 차이도 문제다. 약 120억 년으로 추정된 이전 값들은 턴오프 지점에 도달하지 못한 얕은 이미지에서 비롯된 것이므로, 연구팀은 자신들의 수치가 더 신뢰할 만하다고 생각하지만, 아직 독립적인 연구진이 이 측정을 반복하지는 않았다. 성단의 토착 기원은 현재로서는 궤도에 근거하고 있으며, 상세한 화학적 분석이 추후 초기 합병을 가리킬 가능성도 있다.

우리은하에서 가장 오래된 별무리에 관한 자주 묻는 질문

구상성단이란 무엇인가?

구상성단은 수만에서 수백만 개의 별들이 자체 중력으로 뭉쳐 있는 빽빽한 공 모양의 집단이다. 구성 별들은 하나의 가스 구름에서 함께 형성되었기 때문에 나이와 화학적 조성을 공유한다.

우리은하에서 가장 오래된 별무리는 무엇인가?

확정된 우승자는 없다. 은하 팽대부에 있는 여러 성단들이 약 130억 년에서 136억 년 사이로 측정됐으며, 오차 범위도 서로 겹친다. 134억 년의 나이와 팽대부 성단 중 가장 낮은 철 함량을 지닌 VVV CL001은 현재 가장 강력한 후보 중 하나다.

천문학자들은 어떻게 별무리의 나이를 알 수 있나?

그들은 턴오프 지점, 즉 성단의 별들이 중심부 수소를 막 소진하기 시작하는 지점을 찾는다. 무거운 별이 먼저 타서 사라지므로, 성단이 나이를 먹을수록 턴오프는 더 어둡고 붉은 별 쪽으로 이동한다. 이 위치를 항성 모델과 비교하면 나이를 알 수 있으며, 이를 위해서는 거리와 먼지에 의한 빛의 감쇠 정도를 알아야 한다.

별이 우주보다 더 오래될 수 있나?

아니다. 나이 추정치가 우주의 나이인 138억 년을 넘어설 때는, 오차 범위나 거리 측정이 그 원인이다. VVV CL001의 경우, 이 한계는 하나의 확인 수단으로 작용한다. 즉, 새로운 측정값보다 성단이 훨씬 더 가까이 있을 가능성을 배제해준다.

스펙트럼 분석이 VVV CL001의 기원을 밝힐 것이다

VVV CL001은 2011년 VISTA의 VVV(VISTA Variables in the Vía Láctea) 우리은하 내부 관측 프로젝트를 통해 발견됐다. 이 논문은 2026년 9월에 제출되어 10월 20일에 게재 승인을 받았으며, 같은 날 arXiv 서버에 공개됐다. 연구팀은 곧 이 성단에 대한 더 깊은 광학 관측 데이터를 확보해 더 많은 수평가지 별들을 찾을 수 있을 것이라고 말한다. 또한 고분광 분광 관측을 준비 중이며, 이를 통해 여러 화학 원소들을 하나하나 측정할 계획이다. 이렇게 측정된 원소 함량은 VVV CL001이 궤도가 암시하는 대로 우리은하 핵에서 태어났는지, 아니면 은하 형성 초기 10억 년 동안의 합병을 통해 유입되었는지를 보여줄 것이다.

참고문헌: Olivares Carvajal et al., “VVV CL001: A strong candidate for the most ancient star cluster in the Galaxy,” Astronomy & Astrophysics (accepted), 2026. arXiv: 2610.27969

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