JWST, 초기 은하에 숨겨진 작은 별들…실제 질량은 측정치의 4배

제임스 웹 우주 망원경의 분광기는 프리즘이 불꽃을 읽어내듯 개별 항성 종족을 분석한다. 먼 은하를 향해 충분한 광자를 모은 결과 얻어지는 스펙트럼에는 어떤 종류의 별이 어떤 비율로 존재하는지가 기록된다. 이런 측정은 이론적으로는 항상 가능했지만, 우주가 15억 년 미만이었을 때 방출된 빛이 도달하는 거리에서 신뢰할 만한 측정을 수행한 망원경은 이전까지 없었다. 제임스 웹 우주 망원경이 이를 바꿨다.

그 결과, 《네이처 천문학》(Nature Astronomy)에 발표된 논문에 따르면, 초기 우주의 거대 은하 9개가 눈부신 거대 별들의 빛 뒤에 다수의 작고 어두운 저질량 별들을 숨기고 있는 것으로 드러났다. 이 숨겨진 별들은 질량을 추가한다. 빅뱅 이후 15억 년도 채 안 된 시기에 형성된 적어도 하나의 은하의 경우, 실제 질량은 이전 추정치보다 4배 높을 수 있다.

이 숫자가 중요한 이유는 현대 은하 형성 모델이 이미 이 천체들을 설명하는 데 어려움을 겪고 있었기 때문이다. 이제 그 모델들은 4배 더 큰 질량을 설명해야 하는 처지가 됐다.

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분광기가 이전 망원경이 읽지 못한 것을 어떻게 읽어냈나

별들은 질량 범위가 넓어 밝고 수명이 짧은 거대 별에서부터 작고 어두우며 오래 사는 왜성까지 다양하다. 어떤 은하에서든 큰 별과 작은 별의 비율, 즉 초기질량함수(Initial Mass Function)는 우주론적 거리에서 개별로 감지하기에는 너무 어두운 작은 별들에 얼마나 많은 질량이 묶여 있는지를 결정한다.

지금까지 초기 은하를 연구하는 천문학자들은 초기질량함수가 오늘날 우리 은하에서 관측되는 것과 대략 비슷할 것이라고 가정해야 했다. 즉 잘 보정된 혼합비였다. 이 가정은 터무니없는 것은 아니었다. 단지 검증이 불가능했을 뿐이다.

JWST의 근적외선 분광기 NIRSpec은 은하 전체의 결합된 빛을 포착해, 이전 관측소가 이러한 거리에서 도달할 수 없었던 정밀도로 분해한다. 이 기술은 저질량 별의 특징인 스펙트럼 흡수선의 미묘한 차이를 식별하는 방식으로, 이러한 특징은 일반적으로 더 밝은 동료 별의 섬광 속에 묻힌다. 연구팀은 JWST 스펙트럼에 초거대망원경(VLT)의 추가 데이터를 결합해 모델을 제약했다.

이 연구의 공동저자인 마르트예 슬롭(Martje Slob)은 “이런 측정은 최근까지 전혀 불가능했다. 충분한 빛을 모을 수 있는 망원경뿐만 아니라 뛰어난 품질의 스펙트럼과 새로운 분석 기술이 필요했다. 그래야만 훨씬 더 밝은 별의 빛으로부터 작은 별들의 미묘한 특징을 신뢰할 수 있게 구별할 수 있었다”고 말했다.

연구진은 이 방법을 통해 주요 별 형성 단계를 이미 마친 ‘정지된’ 거대 은하 9개를 조사했다. 모든 경우에서 초기질량함수는 우리 은하의 표준보다 더 가파른 기울기를 보였다. 더 많은 작은 별들. 훨씬 더 큰 질량.

‘불가능한 은하’ 문제가 더 어려워졌다

은하 형성 모델의 예측과 망원경이 초기 우주에서 관측한 결과 사이의 긴장은 현대 우주론에서 가장 많이 논의되는 난제 중 하나다. 표준 우주 구조 형성 모델에 따르면, 최초 10억 년 동안은 JWST가 2022년 이후 계속 발견해온 것처럼 크고 중력적으로 안정된 은하가 생겨나지 않았어야 한다.

그 은하들은 이미 설명하기 어려웠다. 이번 연구는 이를 더 어렵게 만들었다.

레이던 대학교의 제1저자 클로이 청(Chloe Cheng)은 비유를 들어 설명했다. “은하가 도시라면, 가장 밝은 별들은 멀리서도 바로 보이는 고층 건물일 것입니다. 우리 모델은 가장 밝은 별들 뒤에 고층 건물 사이에 있는 집들처럼 훨씬 더 많은 작은 별들이 존재한다는 것을 보여줍니다. 이는 은하 전체가 이전 추정보다 훨씬 더 무겁다는 것을 의미합니다.”

초기 거대 은하의 이전 질량 추정은 항성 종족에 대한 가정으로 보정된 측광(전체 밝기)에 의존했다. 분광법은 훨씬 더 많은 망원경 시간과 감도를 필요로 하지만 더 직접적인 측정법이다. 새로운 추정치는 측광 방식이 일관되게 과소평가했으며, 어떤 경우에는 4배 차이가 났음을 시사한다.

숨겨진 별들이 우주론 너머에서 바꿀 수 있는 것

이 연구의 교신저자이자 레이던 대학교 교수인 마리스카 크리크(Mariska Kriek)는 은하 질량을 넘어서는 시사점을 지적했다. “작은 별들은 종종 행성을 거느리고 있습니다. 따라서 초기 우주에 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 많은 작은 별들이 있었다면, 그만큼 더 많은 행성도 존재했을 수 있습니다.”

저질량 별(적색 왜성과 K형 별)은 현재 우주에서 암석 행성의 가장 흔한 모항성이다. 초기 거대 은하가 이전에 가정했던 것보다 훨씬 더 높은 비율의 이런 별들을 포함하고 있었다면, 초기 우주는 표준 모델이 허용했던 것보다 더 많은 행성이 존재하는 장소였을 수 있다. 이 시사점의 범위는 이 별의 편향이 초기 우주 은하군에 얼마나 널리 퍼져 있는지에 달려 있다.

이 연구가 해결하지 못한 것

표본은 9개 은하다. 이 숫자는 관측 시간과 현재 망원경 성능의 함수일 뿐, 전체 인구 조사가 아니다. 이 연구는 접근법이 효과적이며 효과가 실제임을 보여준다. 즉, 이 초기 은하계의 초기질량함수는 작은 별 쪽으로 무거운(bottom-heavy) 형태라는 것이다. 이것이 수백, 수천 개의 초기 거대 은하에 걸쳐 성립하는지, 그리고 질량이 얼마나 차이가 나는지는 앞으로 측정해야 할 과제다.

이 연구는 또한 메커니즘을 다루지 않는다. 왜 초기 거대 은하가 오늘날 은하보다 비례적으로 더 많은 저질량 별을 형성했는지는 열린 질문이다. 이는 초기 우주의 서로 다른 가스 금속함량, 온도, 또는 난류와 관련이 있을 수 있다. 각각의 가능성은 은하 형성 모델에 서로 다른 시사점을 준다. 스펙트럼 측정은 ‘무엇’을 제약할 뿐, ‘왜’는 여전히 더 많은 데이터와 이론이 필요하다.

초기 은하 질량에 대한 일반적인 질문들

천문학자들은 내부를 볼 수 없는 은하의 무게를 어떻게 측정할까? 빛을 읽어서다. 은하의 스펙트럼에는 어떤 유형의 별이 어떤 비율로 포함되어 있는지가 암호화되어 있다. 밝은 별은 시각적 외관을 지배하지만, 어둡고 저질량 별의 집단보다 총 질량에 기여하는 바는 적다. 분광법을 통해 천문학자들은 어두운 별에 묶인 질량 비율을 측정할 수 있으며, 이는 총 질량 추정을 바꾼다.

초기질량함수란 무엇인가? 별의 집단이 형성될 때 별 질량의 분포를 설명한다. 위쪽이 무거운(top-heavy) 함수는 더 무겁고 밝은 별을 많이 생성하고, 아래쪽이 무거운(bottom-heavy) 함수는 비례적으로 더 많은 작고 어두운 별을 생성한다. 이 함수는 고정되어 있지 않으며, 은하 유형, 나이, 환경에 따라 달라질 수 있다. 이번 연구는 초기 거대 은하가 우리 은하보다 더 아래쪽이 무거운 함수를 가지고 있음을 발견했다.

이것들은 정말 ‘불가능한’ 은하인가? 문자 그대로 불가능한 것은 아니지만, 표준 모델이 초기 우주에서 얼마나 빨리 큰 구조가 조립될 수 있는지에 대한 예측에 도전한다. 표준 ΛCDM 모델은 은하 형성을 허용하지만, 거대하고 안정된 은하가 형성될 것으로 예측하는 속도는 관측 결과보다 느리다. 질량 상향 조정이 추가될 때마다 그 긴장은 더욱 날카로워진다.

숨겨진 별들이 행성을 거느릴 수 있을까? 저질량 별은 가장 흔한 행성 모항성이다. 초기 은하가 가정보다 훨씬 더 많은 저질량 별을 품고 있었다면, 초기 우주는 표준 모델이 예측하는 것보다 더 많은 행성계를 포함했을 수 있다. 이 연구는 거주 가능성에 대한 주장은 하지 않는다. 시사점은 통계적이며, 아래쪽이 무거운 질량 함수가 얼마나 널리 퍼져 있는지에 달려 있다.

레이던 연구팀은 이미 예정된 JWST 관측 프로그램을 이용해 더 큰 표본의 초기 우주 은하에 대한 스펙트럼 분석을 확장하고 있다. 확장된 카탈로그가 나오면, 수정된 질량 추정을 통해 아래쪽이 무거운 항성 분포가 초기 거대 은하의 전형인지, 아니면 특정 유형에 국한된 것인지에 대한 더 명확한 테스트가 가능해질 것이다. 현재 추정 질량으로 이 은하들을 설명하는 데 어려움을 겪고 있는 우주론 모델들은 그때 훨씬 더 큰 데이터 세트에 직면하게 될 것이다.

참고문헌: Cheng et al., “Hidden mass in early galaxies revealed by bottom-heavy initial mass functions,” Nature Astronomy, 2026. DOI: 10.1038/s41550-026-02932-4

태그: James Webb Space Telescope, JWST, early universe, galaxy formation, initial mass function, leiden university

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