별 탄생 60% 급감, 우주 수소 공급량은 거의 그대로

지난 45억 년 동안 우주 전체에서 별 탄생이 절반 이상 감소했으며, 그 주된 설명이 무너졌다. 세계에서 가장 민감한 전파망원경과 역대 최대 규모의 광학 하늘 탐사 자료를 결합해 250만 개의 은하를 조사한 결과, 우주는 별 형성 최전성기 때 보유했던 중성수소의 대부분을 여전히 지니고 있는 것으로 나타났다. 우주적 별 탄생의 요람을 멈추게 하는 원인이 무엇이든, 그것은 원자재 부족 때문은 아니다.

이 연구 결과는 Nature Astronomy에 게재되었으며, 중국과학원 연구진과 DESI 협력단의 국제 파트너들이 수행했다. 이번 연구는 지금까지 이루어진 우주 수소 저장량에 대한 최대 규모의 직접 측정이다. 이는 우주가 왜 늙어가고 있는지에 대한 수십 년 된 의문을 해결했으며, 그 답은 대부분의 천문학자들이 예상했던 것과 다르다.

그 감소폭은 극명하다. 약 100억 년 전 최전성기에 우주는 오늘날보다 약 10배 더 활발하게 별을 생성하고 있었다. 45억 년 전, 지구가 막 형성되던 시기에 우주 별 형성률은 지금보다 여전히 2.5배 높았다. 이러한 추세가 계속된다면, 우주는 점점 더 적은 수의 새로운 태양만을 볼 수 있는 느리고 되돌릴 수 없는 길을 가고 있다. 그 의문은 언제나: 왜일까?

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우주의 수소 공급량을 측정한 방법

지배적인 이론은 직관적이었다: 은하가 나이를 먹으면서 가스 저장량을 소진한다는 것이다. 연료가 적을수록 별도 적다. 관측 가능한 우주 규모에서 이 가설을 시험하기 위해 연구자들은 수십억 광년에 걸쳐 동시에 중성 원자 수소(성간 공간에서 가장 풍부한 수소 형태)를 측정해야 했다. 이러한 정밀도로는 이전에는 결코 가능하지 않았다.

연구팀은 이 측정을 처음으로 가능하게 만든 두 가지 장비를 결합했다. FAST — 중국 구이저우성에 위치한 500미터 구경 구면 전파망원경, 현재 세계 최대 단일 접시 전파망원경 — 는 중성수소가 자연적으로 방출하는 희미한 21cm 전파를 감지한다. DESI — 애리조나에 위치한 암흑에너지 분광 장비 — 는 연구에 사용된 250만 개 은하의 정밀한 광학 적색편이를 제공하여 각 은하의 거리와 관측된 우주 시대를 확립했다.

HI 스펙트럼 스태킹이라고 불리는 이 기법은 핵심 과제를 해결했다: 먼 은하 하나하나는 우주론적 거리에서 개별적으로 감지될 만큼 충분한 수소 신호를 방출하지 않는다. 연구팀은 DESI가 제공한 정밀한 은하 적색편이에 따라 수백만 개의 희미한 전파 스펙트럼을 정렬하고 중첩함으로써 잡음을 통계적 신호로 변환했다. 이는 방 한쪽에서 속삭임 하나를 분리하려는 대신 수백만 건의 조용한 대화를 동시에 듣는 것과 같다. 그 결과 얻어진 관측은 전체 하늘의 약 3분의 1을 차지하며, 우주 시간으로 45억 년 전까지 거슬러 올라간다. 이 규모와 감도로 시도된 것은 이전에 없었다.

숫자가 실제로 보여주는 것

결과는 명확했으며, 표준 모델에 불편한 것이었다. 조사된 부피 전체의 중성수소 밀도는 같은 45억 년 동안 별 형성률이 2.5배 감소한 반면, 단 1.4배만 감소했다. 비율로 보면: 별 탄생은 약 60% 감소했다. 수소 공급은 약 29% 감소했다.

이 두 숫자 사이의 차이가 기존 이론에 문제가 되는 지점이다. 만약 수소 고갈이 별 형성 붕괴의 주요 원인이라면, 두 곡선은 서로 밀접하게 추종해야 한다. 그렇지 않다. 이러한 불일치는 수십억 입방 광년의 중성수소가 은하 사이와 은하 내부 공간에서 사용되지 않고 자리 잡고 있음을 의미한다. 원칙적으로 별을 형성할 수 있지만, 그렇게 하지 않고 있는 것이다. 우주는 관측된 감소를 설명할 만큼 충분히 빠르게 수소를 별로 전환하지 않고 있으며, 전환 부족은 단순히 이용 가능한 수소가 적기 때문이라고 설명할 수 없다.

우주 시간에 걸친 비교는 이 점을 강화한다. 연구의 가장 깊은 측정에 해당하는 45억 년 전의 시대에는 이용 가능한 수소 대비 별 형성 활동의 비율이 오늘날보다 측정 가능할 정도로 더 높았다. 가스가 별로 전환되는 효율성에 무언가 변화가 있었으며, 그 무언가는 현재 보유한 원료의 양이 아니다.

별을 멈추게 할 수 있는 다른 요인

논문은 병목 현상이 가장 likely 발견될 지점을 지목한다. 중성 원자 수소는 직접 별로 붕괴하지 않는다. 먼저 분자 수소로 전환되어야 한다. 분자 수소는 더 밀도가 높고 차가운 상태로, 중력 하에서 실제로 응축되어 별의 요람이 될 수 있다. 이 전환의 효율성, 즉 원자 수소의 공급 자체가 아니라 그 상류의 효율성이 현재 우주의 별 공장을 늦추는 주요 용의자이다.

그 전환 효율성을 무엇이 통제하는가? 여러 메커니즘이 후보이다. 은하 중심의 초대질량 블랙홀로부터의 피드백(주변 가스를 가열하는 에너지 제트와 바람)은 원자 수소가 별 형성에 필요한 분자 상으로 냉각되는 것을 막을 수 있다. 이전 세대 별들의 복사는 중력이 가스를 끌어모으는 것보다 빠르게 이온화할 수 있다. 은하를 둘러싼 희박한 가스 헤일로인 은하주위 매질의 특성은 우주 시간에 걸쳐 원자 수소가 별 형성 구름으로 자리 잡는 속도를 늦추는 방식으로 변화했을 수 있다. 어떤 단일 메커니즘도 지배적인 것으로 확인되지 않았다. 이 연구의 기여는 이들 중 어느 것도 수소 공급 자체를 고갈시킴으로써 작동하지 않는다는 것을 전례 없는 확실성과 규모로 확립한 것이다.

이 연구가 해결하지 못한 점

이 측정은 수백만 개의 은하에 걸쳐 평균화된 집단 수준의 결과이며, 개별 은하의 진화에 대한 진단이 아니다. 스태킹 방법은 통계적으로 강력한 우주 평균을 제공하지만, 특정 은하 유형, 질량 범위, 환경 내부에서 일어나는 일을 분리할 수는 없다. 별 형성이 억제되는 이유에 대한 은하별 그림은 이 기법으로는 아직 도달할 수 없다.

더 근본적으로, 이 연구는 원자 수소(HI 상)를 측정했다. 궁극적으로 별 형성에 연료를 공급하는 것은 분자 수소(H₂ 상)이며, 이는 우주론적 거리에서 훨씬 더 감지하기 어렵다. 이 조사와 동일한 부피에 걸쳐 분자 수소를 지도화하는 것은 훨씬 더 까다로운 관측 작업이며, 이 규모에서는 아직 기술적으로 가능하지 않다. 이 논문이 유력한 원인으로 지목한 원자 가스와 분자 가스 사이의 병목 현상은 문제를 해결하는 데 필요한 규모에서 아직 측정되지 않았다.

저자들은 여러 물리적 과정이 상호작용하여 다양한 환경과 우주 시대에 걸쳐 관측된 별 형성 감소를 초래할 가능성이 있다고 지적한다. 완전한 이론은 이러한 수소 측정뿐만 아니라 개별 은하 형성 역사, 별 형성 환경, 그리고 은하 규모의 가스 흐름의 역할에 대한 관측도 설명할 수 있어야 한다.

우주 별 탄생 감소에 관한 일반적인 질문

별 형성률이 우주의 미래에 왜 중요한가?

별은 행성, 화학, 생명을 구성하는 무거운 원소를 만든다. 새로운 별 형성률이 떨어짐에 따라, 우주가 새로운 행성계를 구축하고 그에 필요한 원소를 보충하는 능력도 함께 감소한다. 이 연구에서 측정된 추세는 느리고 되돌릴 수 없는 쇠퇴 속에 있는 우주의 경험적 징후를 나타낸다. 즉, 별의 시대의 끝의 시작이다.

우리의 태양은 이 우주적 둔화의 영향을 받는가?

아니다. 태양은 46억 년 전에 형성되었으며, 앞으로 약 50억 년 동안 계속 타오를 것이다. 둔화는 우주 전역에서 새로운 별계가 점화되는 속도를 설명하는 것이지, 이미 형성된 별들의 행동을 설명하는 것이 아니다. 우리 태양계는 그 나이로 인해 이 추세로부터 보호된다.

FAST가 이런 유형의 측정에 필수적인 이유는 무엇인가?

FAST의 500미터 구경은 이전의 어떤 단일 접시 전파망원경보다 약 40배 더 큰 수집 면적을 제공한다. 그 감도 덕분에 수십억 광년 떨어진 은하에서 나오는 희미한 21cm 수소 신호를 감지할 수 있다. FAST의 수집 능력 없이는 스태킹 기법이 이러한 거리에서 통계적으로 유의미한 결과를 내지 못할 것이다.

이 연구는 은하 노화의 ‘연료 위기’ 이론이 틀렸다는 것을 의미하는가?

이 연구는 가장 단순한 버전, 즉 원자 수소 공급 감소가 별 형성 감소를 직접적으로 유발한다는 이론에 도전한다. 수소 공급은 관측된 별 탄생 감소를 설명할 만큼 충분히 빠르게 감소하지 않았다. 더 복잡한 과정, 아마도 그 수소가 별 형성에 필요한 분자 상으로 전환되는 비효율성과 관련된 과정이 작용하고 있는 것으로 보인다.

연구팀의 즉각적인 다음 단계는 비슷한 우주 규모에서 분자 수소를 측정하는 것이며, 이는 Square Kilometre Array를 포함한 차세대 시설이 결국 가능하게 할 수 있는 과제이다. 그때까지, 우주 자체의 미래에 대한 가장 중요한 미해결 질문은 하나의 확인된 역설에 의해 더욱 커졌다: 우주는 여전히 대부분의 수소를 가지고 있으며, 여전히 별이 바닥나고 있다는 것이다.

Reference: et al., “Cosmic star formation rate decline is not driven by neutral hydrogen depletion,” Nature Astronomy, 2026. DOI: 10.1038/s41550-026-02965-9

태그: cosmology, DESI, FAST telescope, neutral hydrogen, star formation

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