어떤 사람들은 NASA의 제임스 웹 우주 망원경을 “천문학을 삼킨 망원경”이라고 불렀다. 이것은 지금까지 만들어진 것 중 가장 강력한 우주 망원경이자 인간 공학의 한계를 뛰어넘은 복잡한 기계식 종이접기이다. 2021년 12월 18일, 수년간의 지연과 수십억 달러의 비용 초과 끝에 망원경은 궤도에 진입하여 천문학의 다음 시대를 열 예정이다.

나는 관측 우주론을 전공한 천문학자이다. 나는 30년 동안 먼 은하계를 연구해 왔다. 우주에 대한 가장 큰 답이 없는 질문 중 일부는 빅뱅 직후의 초기 몇 년과 관련이 있다. 최초의 별과 은하는 언제 형성되었을까? 어느 것이 먼저였으며 그 이유는 무엇일까? 제임스 웹이 바로 이러한 질문에 답하기 위해 특별히 만들어졌기 때문에 천문학자들이 은하가 어떻게 시작되었는지에 대한 이야기를 곧 밝힐 수 있게 되어 매우 기쁘다.

우주는 별이나 은하가 빛을 방출하기 전에 암흑 시대로 알려진 기간을 거쳤다. 이미지: 우주 망원경 연구소 

우주의 '암흑시대'

탁월한 증거에 따르면 우주는 138억 년 전 빅뱅이라는 사건으로 시작되어 매우 뜨겁고 밀도가 높은 상태가 되었다. 우주는 빅뱅 직후 팽창하기 시작했고, 그렇게 되면서 냉각되었다. 빅뱅 이후 1초 후, 우주는 100조 마일에 달했고 평균 온도는 화씨 180억 도(섭씨 100억 도)였다. 빅뱅 후 약 400,000년 후, 우주의 너비는 1천만 광년이었고 온도는 화씨 5,500도(섭씨 3,000도)로 냉각되었다. 이 시점에 누군가가 그것을 보기 위해 거기에 있었다면 우주는 거대한 열 램프처럼 둔한 붉게 빛나고 있었을 것이다.  

이 기간 동안 우주는 고에너지 입자, 방사선, 수소, 헬륨으로 이루어진 부드러운 수프로 채워졌다. 구조가 없었다. 팽창하는 우주가 점점 더 커지고 차가워지면서 국물이 묽어지고 모든 것이 검게 변했다. 이것은 천문학자들이 우주의 암흑기라고 부르는 것의 시작이었다.

암흑기의 수프는 완벽하게 균일하지 않았고 중력으로 인해 가스의 작은 영역이 덩어리지기 시작하여 더 밀도가 높아졌다. 매끄러운 우주는 덩어리가 되었고 밀도가 더 높은 이 작은 가스 덩어리는 별, 은하 및 우주의 다른 모든 것이 궁극적으로 형성되는 씨앗이 되었다.

볼 것은 없었지만 암흑기는 우주의 진화에서 중요한 단계였다.

초기 우주의 빛은 지구에 도달할 때 적외선 파장(적색광보다 길다는 의미)에 있다. 이미지: Wikimedia Commons를 통한 Inductiveload/NASA, CC BY-SA

첫 번째 빛을 찾아서

암흑 시대는 중력이 최초의 별과 은하를 형성하여 결국 최초의 빛을 방출하기 시작했을 때 끝났다. 천문학자들은 최초의 빛이 언제 일어났는지 모르지만 가장 좋은 추측은 빅뱅 이후 수억 년이라는 것이다. 천문학자들은 또한 별이나 은하가 먼저 형성되었는지 알지 못한다.  

암흑 물질이 지배하는 우주에서 중력이 어떻게 구조를 형성하는지에 대한 현재의 이론은 별과 성단과 같은 작은 물체가 먼저 형성되고 나중에 왜소 은하로 성장한 다음 우리 은하와 같은 더 큰 은하로 성장할 가능성이 있다고 제안한다. 우주의 이 최초의 별들은 오늘날의 별들에 비해 극단적인 물체였다. 그들은 백만 배 더 밝았지만 아주 짧은 삶을 살았다. 그들은 뜨겁고 밝게 타올랐고 죽을 때 태양 질량의 100배에 달하는 블랙홀을 남겼다. 이는 은하 형성의 씨앗으로 작용했을 수도 있다.

천문학자들은 이 흥미롭고 중요한 우주의 시대를 연구하고 싶지만 첫 번째 빛을 감지하는 것은 엄청나게 어렵다. 오늘날의 거대하고 밝은 은하와 비교할 때 최초의 물체는 매우 작았고 우주의 끊임없는 팽창으로 인해 이제 지구에서 수백억 광년 떨어져 있다. 또한 초기 별들은 생성 후 남은 가스로 둘러싸여 있었고 이 가스는 대부분의 빛을 흡수하는 안개처럼 작용했다. 방사선이 안개를 없애는 데 수억 년이 걸렸다. 이 초기 빛은 지구에 도착할 때쯤에는 매우 희미하다.

그러나 이것이 유일한 도전은 아니다.

우주가 팽창함에 따라 우주를 통과하는 빛의 파장은 계속 늘어난다. 이것은 청색광이나 백색광과 같은 더 짧은 파장의 빛을 적색 또는 적외선과 같은 더 긴 파장으로 이동시키기 때문에 적색편이라고 한다. 완벽한 비유는 아니지만 자동차가 당신을 지나칠 때 내는 소리의 높이가 눈에 띄게 떨어지는 것과 비슷하다.  

130억 년 전 초기 별이나 은하에서 방출된 빛이 지구상의 어떤 망원경에든 도달할 때쯤에는 우주 팽창으로 인해 10분의 1로 늘어났다. 그것은 적외선으로 도착하는데, 이는 적색광보다 파장이 더 길다는 것을 의미한다. 첫 번째 빛을 보려면 적외선을 찾아야 한다.

타임머신으로서의 망원경

제임스 웹 우주 망원경으로 들어가라. 망원경은 타임머신과 같다. 만약 물체가 10,000광년 떨어져 있다면 그것은 빛이 지구에 도달하는 데 10,000년이 걸린다는 것을 의미한다. 따라서 우주 천문학자들이 더 멀리 볼수록 우리는 더 먼 과거를 찾고 있다. 

James Webb 우주 망원경은 우주에서 가장 오래된 은하를 탐지하도록 특별히 설계되었다. 이미지 : NASA/JPL-Caltech, CC BY-SA 

엔지니어들은 가장 초기의 별이나 은하의 희미한 적외선을 특별히 감지하기 위해 제임스 웹을 최적화했다. 허블 우주 망원경에 비해 제임스 웹은 카메라 시야가 15배 더 넓고 빛을 6배 더 수집하며 센서는 적외선에 가장 민감하도록 조정되어 있다.

전략은 하늘의 한 부분을 오랫동안 깊이 응시하여 가능한 한 가장 멀리 있고 가장 오래된 은하에서 많은 빛과 정보를 수집하는 것이다. 이 데이터를 통해 암흑기가 언제 어떻게 끝났는지에 대한 답을 얻을 수 있지만, 다른 중요한 발견이 많이 있다. 예를 들어, 이 이야기를 풀면 우주 질량의 약 80%를 구성하는 신비한 형태의 물질인 암흑 물질의 본질을 설명하는 데 도움이 될 수도 있다.

제임스 웹은 NASA가 시도한 것 중 가장 기술적으로 어려운 임무이다. 그러나 나는 그것이 대답하는 데 도움이 될 수 있는 과학적 질문에 대해 모든 노력을 기울일 만한 가치가 있다고 생각한다. 나와 다른 천문학자들은 2022년 언젠가 데이터가 다시 나오기 시작하기를 신나게 기다리고 있다.

이미지 출처: Hubble Deep Field / NASA

글쓴이: Chris Impey는 애리조나 대학교의 천문학 석좌교수이다. 그는 관측 우주론, 은하계 및 퀘이사에 대한 180개 이상의 참조 출판물을 보유하고 있으며 그의 연구는 NASA 및 NSF 보조금에서 2천만 달러의 지원을 받았다. 그는 11개의 교육 상을 수상했으며 180,000명이 넘는 등록자가 있는 3개의 대규모 공개 온라인 수업을 가르쳤다.