Charting the expansion of the Universe from z$\sim$0 to z$\sim$14 with HII galaxies

우주를 탄생의 순간부터 부풀어 오르고 있는 거대하고 투명한 풍선이라고 상상해 보십시오. 수십 년 동안 과학자들은 이 풍선이 정확히 얼마나 빨리 팽창하고 있는지, 그리고 그 속도가 변하고 있는지 알아내기 위해 노력해 왔습니다. 이를 위해 그들은 '표준 촉광(standard candles)'—즉, 예측 가능한 특정한 밝기를 가진 우주의 천체들—이 필요합니다. 천문학자들은 이 천체들이 마땅히 가져야 할 밝기와 지구에서 실제로 보이는 밝기를 비교함으로써, 이들이 얼마나 멀리 떨어져 있는지, 그리고 우리와 그들 사이의 공간이 얼마나 빠르게 늘어나고 있는지를 계산할 수 있습니다.

오랫동안 이 작업에 가장 적합한 도구는 Ia형 초신성(폭발하는 별)과 우주 배경 복사(빅뱅의 잔광)였습니다. 하지만 이러한 도구들에는 한계가 있습니다. 초신성은 아주 초기 우주에서는 관측하기 어렵고, 배경 복사는 우주의 시작 부분만을 알려주기 때문입니다. 우주 팽창의 전체 이야기를 진정으로 이해하기 위해서, 과학자들은 '코스믹 던(cosmic dawn, 우주의 새벽)', 즉 첫 번째 별들이 막 깜빡거리며 빛을 내기 시작했던 시기까지 도달할 수 있는 새로운 종류의 자(ruler)를 필요로 했습니다. 여기서 바로 'H II 은하'라는 특별한 유형의 은하가 등장합니다. 이들은 강렬한 빛을 내뿜는 혼돈스러운 별 생성의 요람입니다. 만약 이들의 밝기와 가스 구름의 속도가 신뢰할 수 있는 방식으로 연결되어 있다면, 이들은 우리 주변의 이웃부터 시작해 시간의 시작점까지 거슬러 올라가는 우주의 자 역할을 할 수 있습니다.

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새벽까지 닿는 우주의 자

한 천문학 팀이 방대한 규모의 우주 지도 제작을 성공적으로 수행했습니다. 그들은 H II 은하로 만들어진 새롭고 매우 긴 자를 사용하여, 우리 집 뒷마당 근처에서부터 우주가 불과 몇 억 년밖에 되지 않았던 시절까지의 우주 팽창을 기록했습니다. MNRAS에 발표된 이 연구는 거리와 적색편이(물체로부터 오는 빛이 얼마나 늘어났는지) 사이의 관계를 보여주는 지도인 '허블 도표(Hubble diagram)'를 작성하여, 기록적인 적색편이 $z \sim 14$까지 확장했습니다.

그들이 무엇을 했는지 이해하기 위해, 기타를 조율하려는 음악가를 떠올려 보십시오. 특정 줄이 특정 음을 내기 위해 특정 속도로 진동해야 한다는 것을 알고 있다면, 음의 높낮이를 듣는 것만으로도 줄이 느슨한지 팽팽한지 알 수 있습니다. 우주에서 H II 은하는 바로 그 기타 줄과 같습니다. 이들은 거대한 젊은 별들이 에너지를 뿜어내며 빛나는 가스 구름을 만드는 강렬한 별 형성 지역입니다. 이 논문은 은하의 광도(얼마나 밝은가)와 속도 분산(내부 가스가 얼마나 빠르게 움직이는가) 사이의 알려진 관계에 의존합니다. 가스가 더 빠르게 움직일수록 은하는 더 밝아지는 경향이 있습니다.

연구팀은 243개의 이러한 은하로 구성된 방대한 표본을 수집했습니다. 여기에는 이미 다른 방법(특정 유형의 별의 밝기를 측정하는 방식 등)을 통해 거리가 알려진 36개의 '앵커(anchor)' 은하가 포함되었습니다. 그다음, 107개의 국부 H II 은하를 추가했으며, 제임스 웹 우주 망원경(JWST)과 ALMA 전파 망원경으로 관측한 방대한 양의 먼 은하들을 포함시켰습니다. 이 새로운 대상들 중 일부는 너무 멀리 떨어져 있어서, 그 빛이 130억 년 넘게 여행해 왔으며 우주의 '코스믹 던' 시절에 기원을 두고 있습니다.

위대한 발견: 규칙은 변하지 않았다

이 논문에서 가장 흥激한 부분은 그들이 가장 오래되고 먼 은하들을 살펴보았을 때 발견한 사실입니다. 한동안은 '기타 줄'의 조율이 시간이 흐름에 따라 변할 수도 있다는 우려가 있었습니다. 일부 연구자들은 초기 우주에서 이 은하들이 다르게 행동하여, 속도와 밝기 사이의 관계가 더 평탄해지거나 깨질 수 있다고 제안했습니다. 만약 그것이 사실이라면, 초기 우주를 측정하기 위해 이들을 사용하는 것은 아침과 저녁에 서로 다르게 늘어나는 고무줄로 방의 크기를 재려는 것과 같을 것입니다.

하지만 이 논문은 규칙이 전혀 변하지 않았음을 보여줍니다. 저자들은 적색편이가 $z \sim 14$만큼 높은 은하들에 대해서도 밝기와 가스 속도 사이의 관계가 여전히 확고하게 유지된다는 것을 발견했습니다. 근처의 은하를 보든, 시대의 새벽에서 온 은하를 보든, 그 '조율'은 동일했습니다. 데이터는 이 별 형성 지역을 지배하는 물리학이 지난 우주의 역사 중 98% 동안 유의미하게 진화했다는 증거를 보여주지 않습니다. 이는 매우 중요한 일인데, 왜냐하면 H II 은하가 우주의 거의 전 생애에 걸쳐 우주 거리를 측정하는 신뢰할 수 있는 독립적인 방법임을 의미하기 때문입니다.

이것이 암흑 에너지에 대해 말해주는 것

이 신뢰할 수 있는 자를 손에 쥐고, 연구팀은 우주의 팽창 역사를 계산했습니다. 그들은 우주가 어떻게 팽창하는지에 대한 다양한 모델, 특히 팽창을 가속화하는 신비로운 힘인 암흑 에너지를 중점적으로 테스트했습니다.

$\Lambda$CDM(암흑 에너지가 일정한 힘이라고 가정하는 표준 모델)이라는 표준 모델을 사용하여, 그들은 허블 상수($h$)와 물질 밀도($\Omega_m$)를 계산했습니다. 그들의 결과는 다음과 같습니다:

• $h = 0.725 \pm 0.040$
• $\Omega_m = 0.308^{+0.043}_{-0.053}$

그들은 또한 암흑 에너지가 시간에 따라 변할 수 있는 모델($w_0$와 $w_a$ 사용)을 테스트했습니다. 그들의 연구 결과는 암흑 에너지가 표준 우주론 모델과 일치하는 매우 일정한 값처럼 행동한다는 것을 시사합니다. 예를 들어, 그들은 $w_0 = -0.96^{+0.53}_{-0.21}$을 찾았는데, 이는 일정한 암흑 에너지에 기대되는 값인 $-1$에 매우 가깝습니다.

이것이 중요한 이유

이 논문은 $L-\sigma$ 관계(밝기와 속도의 연결 고리)가 높은 적색편이에서 유의미하게 변한다는 아이디어를 명시적으로 배제합니다. 저자들은 먼 은하들에 대해 나타났던 '더 평탄한 기울기'에 대한 이전의 제안들이 실제 물리학의 변화가 아니라 제한된 데이터 범위 때문이었을 가능성이 높다고 주장합니다. 이 은하들이 오늘날의 은하들과 마찬가지로 초기 우주에서도 동일하게 행동한다는 것을 확인함으로써, 저자들은 우주에 대한 우리의 이해를 테스트할 수 있는 새로운 길을 열었습니다.

그들은 단순히 새로운 숫자를 찾아낸 것이 아니라, 하나의 방법을 검증했습니다. H II 은하가 $z \sim 0$에서 $z \sim 14$까지 '표준화 가능한 촉광'으로 작동함을 보여줌으로써, 그들은 우주 팽창에 대한 현재의 이론을 점검할 수 있는 강력한 새로운 도구를 제공했습니다. 그들의 결과는 초신성을 이용한 다른 주요 연구들과 밀접하게 일치하며, 이는 우리가 우주의 아주 초기 순간까지 되돌아보더라도 현재의 우주 모델이 올바른 궤도에 있다는 생각을 강화해 줍니다.

요컨대, 우주의 팽창 이야기는 새로운 펜으로 쓰여지고 있으며, 지금까지 그 이야기는 첫 페이지부터 마지막 페이지까지 일관되게 흘러가고 있습니다. 초기 우주의 '기타 줄'은 우리 집 뒷마당의 줄과 같은 노래를 부르고 있으며, 이는 근본적인 물리학 법칙이 수십억 년 동안 꾸준히 유지되어 왔음을 증명합니다.