우주 뉴스를 보다 보면 가끔 이런 상황이 생깁니다. 제목만 봤을 때는 엄청난 발견인 것 같아서 글을 클릭했는데, 읽고 나서야 "이게 왜 놀라운 거지?"라는 생각이 드는 경우입니다. 저도 JWST가 초기 우주에서 산소를 발견했다는 소식을 처음 접했을 때 그랬습니다. 그런데 알고 보니, 진짜 질문은 "왜 산소가 있냐"가 아니라 "왜 아직 산소 없는 은하를 못 찾냐"였습니다.
JWST가 포착한 산소, 사실 놀랄 일이 아닌 이유
솔직히 처음에는 저도 "빅뱅 직후 은하에서 산소 검출"이라는 표현만 보고 대단한 반전이 있는 발견인 줄 알았습니다. 그런데 차근차근 따라가 보니 오히려 반대였습니다.
핵심은 항성핵합성(stellar nucleosynthesis)에 있습니다. 항성핵합성이란 별의 내부에서 수소와 헬륨이 핵융합 반응을 거쳐 탄소, 산소, 철 같은 무거운 원소로 바뀌는 과정을 말합니다. 빅뱅 직후 우주에는 수소와 헬륨만 존재했고, 산소를 비롯한 무거운 원소들은 별이 태어나고 죽는 과정을 통해서만 만들어집니다. 그러니까 초기 은하에서 산소가 검출됐다는 건, 그 은하 안에서 이미 별이 한 세대 이상 탄생하고 폭발했다는 뜻입니다. 예상 범위 안의 결과라는 거지요.
제임스 웹 우주망원경(JWST)이 관측한 은하 JADES-GS-z14-0은 현재까지 인류가 확인한 두 번째로 먼 은하입니다. 이 은하에서 빛이 출발한 시점은 빅뱅으로부터 약 285~290만 년 후였습니다. 두 독립적인 연구팀이 각각 ALMA(아타카마 밀리미터·서브밀리미터 전파망원경)로 이 은하를 관측했고, 양쪽 모두 산소의 스펙트럼 방출선(emission line)을 확인했습니다. 방출선이란 특정 원소가 이온화 상태에서 에너지를 방출할 때 나타나는 고유한 빛의 파장 신호로, 특정 원소가 실제로 존재한다는 직접적인 증거가 됩니다. 두 팀이 독립적으로 같은 결과를 냈다는 점에서 신뢰도는 상당히 높습니다(출처: NASA JWST 공식 사이트).
제가 글을 읽으면서 인상 깊었던 부분은 이 지점이었습니다. 산소가 있다는 사실 자체보다, 그 산소 신호를 이렇게 먼 거리에서 포착해 냈다는 관측 기술이 진짜 성취라는 것입니다.
적색편이로 보는 우주의 시간축
이 맥락을 제대로 이해하려면 적색 편이(redshift) 개념을 짚고 넘어가야 합니다. 적색 편이란 우주가 팽창하면서 먼 천체에서 출발한 빛의 파장이 길어지는 현상으로, 수치가 클수록 더 먼 거리, 즉 더 이른 우주 시대에 해당합니다. JADES-GS-z14-0의 적색 편이 값은 z=14.32로, 현재까지 관측된 은하 중 두 번째로 높은 수치입니다. 비교하자면 우리 주변의 은하들은 z값이 0에 가깝습니다.
JWST가 이 분야에서 강점을 갖는 이유는 적외선 관측 능력 때문입니다. 적색편이가 커질수록 원래 자외선·가시광선이었던 빛이 적외선 영역으로 밀려납니다. 허블 우주망원경이 관측할 수 있는 파장의 한계는 약 1.6~2.0 마이크로미터였지만, JWST는 그보다 훨씬 긴 파장 영역까지 커버할 수 있어 초기 우주를 직접 들여다보는 것이 가능해졌습니다.
JWST가 지금까지 발견한 주요 초기 은하들의 관측 포인트를 정리하면 다음과 같습니다.
- JADES-GS-z14-0: 적색편이 z=14.32, 빅뱅 후 약 285~290만 년, 산소 방출선 확인
- JADES-GS-z14-1: 빅뱅 후 약 300만 년, 동일 관측 영역 내 위치
- MoM-z14: 2025년 5월 기준 최장거리 은하 신기록, 빅뱅 후 약 282만 년
- JADES-GS-z13-1-LA: 라이먼-알파 방출선이 예외적으로 강하게 검출된 은하
여기서 라이먼-알파 방출선이란 수소 원자가 이온화되었다가 전자가 다시 가장 낮은 에너지 상태로 떨어질 때 방출하는 특정 파장의 자외선 신호입니다. 초기 우주에서는 중성 수소가 이 파장을 대부분 흡수해 버리기 때문에, JADES-GS-z13-1-LA에서 이 신호가 강하게 잡혔다는 건 천문학자들 사이에서도 설명이 쉽지 않은 문제로 남아 있습니다(출처: ESA 허블 우주망원경 공식 사이트).
제 경험상 이런 글들은 읽기 전보다 읽고 나서 궁금한 게 더 많아지는 경우가 많은데, 이 부분이 딱 그랬습니다.
진짜 탐색 목표는 산소 없는 은하다
글을 다 읽고 나서야 제대로 와닿은 게 있었습니다. 지금까지 발견된 모든 초기 은하에는 크든 작든 이미 무거운 원소가 존재합니다. 즉, 관측된 은하들 중 완전히 원시적인 상태, 즉 수소와 헬륨만으로 이루어진 은하는 아직 하나도 없다는 뜻입니다.
천문학자들이 실제로 찾고 있는 건 종족 III 항성(Population III stars)입니다. 종족 III 항성이란 우주 최초로 탄생한 별들로, 수소와 헬륨만을 원료로 삼은 별들을 가리킵니다. 이 별들이 만들어지기 이전 상태의 은하, 즉 금속(천문학에서는 수소와 헬륨 외의 모든 원소를 통칭해 '금속'이라 부릅니다)이 전혀 없는 은하가 존재한다면, 그것이 진짜 의미에서의 '놀라운 발견'이 됩니다. 현재까지는 그 후보가 없습니다.
저는 이 부분이 글 뒤쪽에 가서야 나온다는 점이 조금 아쉬웠습니다. "산소 있다고 놀랄 것 없다"는 메시지가 앞쪽에서 계속 반복되다 보니, 정작 "그럼 우리가 진짜 찾아야 할 게 뭔지"는 늦게 전달됩니다. 그 구조 자체가 조금 아쉬웠지만, 핵심을 파악하고 나면 전체 그림은 훨씬 분명해집니다.
현재 JWST가 관측할 수 있는 가장 먼 범위에서도 빅뱅 이후 약 280만 년 이상이 지난 은하들만 보입니다. 그보다 더 이르고, 더 작고, 더 어두운 은하들을 찾아내야 비로소 종족 III 항성이나 금속이 없는 원시 은하를 발견할 가능성이 열립니다. 그게 앞으로의 진짜 숙제입니다.
우주 뉴스를 접할 때, "이 발견이 예상 범위 안인지 아닌지"를 먼저 따져보는 습관이 생기면 훨씬 정확하게 읽힙니다. JWST의 산소 발견 소식도 그렇습니다. 놀라운 건 산소가 있었다는 사실이 아니라, 그 신호를 저 멀리서 잡아냈다는 기술적 성취입니다. 그리고 진짜 경보가 울리는 순간은, 언젠가 산소가 전혀 없는 은하가 발견되는 날입니다. 그날을 기다리며 JWST의 다음 관측 결과를 챙겨보는 것도 나쁘지 않습니다.
참고: https://bigthink.com/starts-with-a-bang/oxygen-jwst-most-distant-galaxies/