우주 최초의 별은 어떻게 탄생했고, 어떻게 관측하는가: 시마부쿠로 하야토가 말하는 우주 암흑시대와 21cm선

시마부쿠로에 따르면 우주는 고온·고밀도·고압의 빅뱅에서 시작된 것으로 여겨지며, 이후 팽창해 가는 과정에서 별이나 은하가 존재하지 않는 시대가 이어졌다. 빛을 내는 천체가 없어 캄캄했던 이 시대를 우주 암흑시대라고 부른다. 이 시대에 있었던 것은 빅뱅으로 만들어진 수소와 헬륨, 그리고 암흑물질(다크 매터)이라고 여겨진다.

시마부쿠로는 이 가운데 가장 중요한 것이 수소라고 말한다. 암흑물질도 우주의 구조 형성에는 매우 중요하지만, 전자기파로 관측한다는 관점에서는 수소가 앞으로 유력한 도구가 되기 때문이다.

별이나 은하가 존재하지 않는다는 것은 관점을 바꾸면 이점이기도 하다고 시마부쿠로는 말한다. 별이나 은하의 영향을 고려할 필요가 없으므로, 우주의 구조나 진화와 같은 순수한 우주론적 성질을 탐구하는 장이 된다. 예를 들어 암흑물질이나, 우주의 시작에 일어났다고 여겨지는 인플레이션에 관한 정보를 조사할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 만약 인간이 이 시대에 존재했다 하더라도 눈에 보이는 가시광선을 내는 천체가 없기 때문에 캄캄한 우주를 보게 될 것이라고 시마부쿠로는 이야기했다.

최초의 별과 은하가 어떻게 만들어졌는지를 생각하는 데 중요한 역할을 하는 것이 암흑물질이다. 암흑물질은 전자기파를 내지 않기 때문에 빛으로는 보이지 않지만, 중력적인 성질은 가지고 있다.

시마부쿠로는 그 존재가 드러나게 된 계기로 은하의 회전 속도 측정을 들었다. 뉴턴의 중력 이론에 따르면 은하 중심에서 멀어질수록 회전 속도는 느려질 것으로 예상되었다. 그런데 실제로 관측해 보니 바깥쪽에서도 회전 속도가 거의 떨어지지 않았다. 이를 설명하려면 별이나 은하처럼 눈에 보이는 물질 외에 미지의 물질이 필요하다. 이렇게 해서 암흑물질의 존재가 제시되기에 이르렀다.

정체는 아직 밝혀지지 않았지만 몇 가지 가설이 있다. 소립자 물리학에서 예언되는 초대칭 입자와 액시온, 그리고 우주 초기에 존재했다고 여겨지는 매우 작은 원시 블랙홀 등이다. 시마부쿠로는 개인적으로 액시온을 밀고 있다고 한다. 다만 특별히 큰 이유가 있는 것은 아니고, 본인이 액시온에 관한 논문을 몇 편 쓴 적이 있어 애착이 있다는 설명이었다.

미지의 입자인 암흑물질이 모이면 암흑물질 헤일로라고 불리는 구조가 생긴다. 시마부쿠로는 이를 별과 은하의 '요람'이라고 표현하며, 그 안에서 우주 최초의 별과 은하가 만들어진다고 여겨진다고 설명한다.

암흑물질 헤일로는 일종의 '중력 우물'로, 그곳에 수소나 헬륨 같은 가스가 모여든다. 가스는 자체 중력으로 압축되어 작아지고, 최종적으로 퍼스트 스타의 형성으로 이어진다.

여기서 시마부쿠로는 용어를 정리했다. 퍼스트 스타란 특정한 하나의 별을 가리키는 것이 아니라, 수소와 헬륨을 재료로 만들어진 별의 총칭이다. 전문가들 사이에서는 '퍼스트 스타'보다 '종족 III(Population III)', 줄여서 '팝 3'이라고 부르는 것이 일반적이라고 한다.

왜 '3'일까. 종족 I(팝 1), 종족 II(팝 2) 별도 존재하며, 그 차이는 중원소의 양에 있다. 천문학에서는 수소와 헬륨 이외의 원소를 통틀어 중원소라고 부르는 대략적인 분류를 한다. 태양처럼 중원소를 대량으로 포함한 별이 종족 I, 수소와 헬륨만 포함하고 중원소를 포함하지 않는 별이 종족 III이다. 종족 II는 그 중간으로, 태양에 비하면 중원소가 압도적으로 적지만 종족 III보다는 많이 포함하고 있다.

중원소가 중요한 것은 별이 만들어지는 방식에 크게 관여하기 때문이라고 시마부쿠로는 설명한다. 별은 가스가 자체 중력으로 붕괴하고, 어느 정도 붕괴한 시점에서 내부에서 핵융합 반응이 일어나 스스로 빛나게 되면서 탄생한다. 하지만 가스는 쉽게 붕괴하지 않는다. 가스에는 압력이 있고, 그것이 중력에 맞서 밀어내기 때문이다.

압력은 가스의 온도가 높을수록 커지므로, 붕괴하려면 가스를 식힐 필요가 있다. 여기서 효과를 발휘하는 것이 중원소다. 중원소는 냉각제 역할을 하여 가스에서 에너지를 빼내 온도를 낮춘다. 중원소가 많을수록 식기 쉬워지고 별을 만들기 쉬워진다.

그런데 퍼스트 스타의 재료에는 중원소가 포함되어 있지 않다. 가스가 잘 식지 않아 압력이 강한 상태가 계속되므로, 이를 이기고 붕괴하려면 가스 자체가 어느 정도 무거워야 한다. 이러한 논리에서 퍼스트 스타의 질량은 어느 정도 클 것으로 예상되고 있다.

다만 시마부쿠로는 이론적인 시뮬레이션 연구에 따르면 조건에 따라 비교적 가벼운 퍼스트 스타도 만들어질 수 있다는 것이 시사되고 있다고 덧붙였다. 이 논의는 아직 결론이 나지 않았으며, 가벼운 것부터 무거운 것까지 다양한 질량의 퍼스트 스타가 만들어졌을 가능성이 있다.

무거운 별일수록 수명은 짧아지는 경향이 있다. 시마부쿠로에 따르면 태양의 수명은 약 100억 년으로 여겨지지만, 퍼스트 스타는 태양의 10배에서 100배의 질량이 될 가능성이 있어 수명은 수천만 년에서 100만 년 단위가 될 것으로 예상된다. 그 때문에 현재의 우주까지 퍼스트 스타가 남아 있을 가능성은 낮다고 여겨진다.

한편 만약 가벼운 퍼스트 스타가 태어났고 폭발 등을 일으키지 않고 살아남아 있다면, 관측할 기회가 있을지도 모른다고 시마부쿠로는 말한다. 그 경우 별에서 오는 신호를 분석해 수소와 헬륨 이외의 중원소를 포함하지 않는다는 것을 확인하는 것이 대전제이며, 가장 중요한 확인 항목이 된다. 그 밖에도 확인 항목이 있다고 한다.

퍼스트 스타가 홀로 태어났는지, 형제자매와 함께 태어났는지도 끊임없이 관심을 모으는 질문이라고 시마부쿠로는 말한다. 태양 주변에는 지금까지 태양 같은 별이 없기 때문에 외동으로 태어났다고 여겨지지만, 별 형성 이론에서는 쌍성으로 태어나는 것이 지극히 평범한 일로 여겨진다.

퍼스트 스타에 대해서도 쌍성으로 탄생했을 가능성이 시사되고 있다. 다만 이 역시 시뮬레이션에 의한 생각이며, 홀로 태어난다는 결과도 쌍성으로 태어난다는 결과도 있어 누구나 납득할 만한 결론은 아직 얻지 못했다. 지금도 논의가 활발한 분야라고 한다.

시마부쿠로 본인은 쌍성으로 태어났다면 더 재미있을 것이라고 생각한다. 서로의 주위를 도는 퍼스트 스타가 폭발해 죽고 블랙홀이 되면, 그 블랙홀끼리 서로 돌면서 중력파가 발생한다. 중력파는 시공간을 따라 전해지는 중력의 파동으로, 퍼스트 스타에서 유래한 쌍성 블랙홀로부터 중력파가 발생하면 관측할 수 있을 가능성도 있다. 그런 일이 일어났다면 재미있을 것이라는 게 시마부쿠로의 견해다.

퍼스트 스타의 탄생으로 우주의 모습은 완전히 달라졌다. 시마부쿠로는 가장 큰 변화는 무엇보다 우주에 빛이 켜진 것이라고 말한다.

나아가 스스로 빛나는 퍼스트 스타는 자외선을 방출해 주변 수소의 상태를 바꾼다. 퍼스트 스타가 죽은 뒤에는 새로운 별이 만들어지고, 이들을 포함한 제1세대 은하(퍼스트 갤럭시)가 탄생한다. 이러한 초기 은하에서 나오는 자외선에 의해 우주에 존재하는 중성 수소 가스가 전리된다. 이것이 우주 재전리라고 불리는 현상으로, 시마부쿠로는 매우 많은 수수께끼를 품은 이벤트라고 설명한다.

'재'가 붙는 이유는 이렇다. 빅뱅 직후에는 고온이었기 때문에 양성자와 전자가 따로따로 운동하고 있었다. 그 후 우주가 식으면서 둘이 결합해 중성 수소가 생겼다. 우주 재전리에서는 다시 양성자와 전자가 떨어지기 때문에 '재'전리라고 부른다.

재전리를 일으킨 것은 퍼스트 스타나 초대 은하라는 것이 일반적인 견해지만, 퀘이사라고 불리는 천체도 기여했을 것이라는 생각도 있다. 더 이색적인 이야기로, 암흑물질이 재전리에 기여했다는 시나리오를 생각하는 연구자도 있다고 한다.

별이나 은하가 없는 우주 암흑시대는 그것들을 직접 관측할 수 없다. 하지만 우주에는 수소가 대량으로 존재하기 때문에, 수소에서 오는 신호를 관측하면 암흑시대도 관측할 수 있다고 여겨진다. 그 신호가 21cm선이며, 시마부쿠로는 우주 암흑시대를 관측할 수 있는 유일한 신호로 기대받고 있다고 말한다.

중성 수소는 양성자와 전자로 이루어져 있고, 둘은 스핀이라는 물리량을 가진다. 시마부쿠로는 이를 화살표에 비유한다. 양성자와 전자의 스핀이 평행할 때는 에너지가 약간 높고, 반평행일 때는 약간 낮다. 자연계는 에너지가 낮은 상태를 선호하므로 높은 상태에서 낮은 상태로 옮겨 가려 하며, 그때 남는 에너지를 버린다. 이 버려지는 에너지가 파장 21cm의 전자기파이며, 이름의 유래는 단순히 그 파장이라고 한다.

다만 우주는 빅뱅 이후 계속 팽창하고 있기 때문에, 방출된 21cm선의 파장은 늘어난다. 어느 시대에 방출되었는지에 따라 늘어나는 정도가 달라지며, 우주 재전리기나 우주의 새벽 시대의 21cm선은 현재 관측하면 수 미터 정도가 되어 있을 것으로 여겨진다.

21cm선은 우주 재전리기, 우주의 새벽, 우주 암흑시대 중 어느 시대에나 존재한다고 여겨지지만, 현시점에서는 이들 시대의 21cm선은 관측되지 않았다. 시마부쿠로는 우리은하 내 중성 수소에서 오는 21cm선은 이미 관측되었으며, 관측되지 않은 것은 과거 우주에서 온 것이라고 주의를 환기했다.

가장 큰 어려움으로 꼽힌 것이 전경 복사다. 시마부쿠로는 이를 차를 운전하다가 태양이 역광이 되어 그 뒤에 있는 신호등이 눈부셔서 보이지 않는 상황에 비유했다. 우리은하는 싱크로트론 복사로 매우 밝게 빛나고 있으며, 21cm선 신호는 그 밝은 전경 뒤에 있다. 먼저 이 밝은 빛을 제거하고, 그 안에서 21cm선을 찾아내야 한다.

21cm선은 전파이므로 관측에는 전파 망원경이 필요하다. 전파 망원경에는 가정에서 위성 방송을 수신하는 안테나 같은 유형과, 크리스마스트리처럼 생긴 다이폴 안테나를 다수 배열하고 이를 합성해 하나의 안테나처럼 다루는 전파 간섭계라는 유형이 있다.

현재 21cm선 관측을 목적으로 운용되고 있는 망원경으로 시마부쿠로는 호주의 MWA, 네덜란드의 LOFAR, 인도의 uGMRT, 남아프리카공화국의 HERA를 들었다. 일본에는 21cm선 관측용 망원경이 없다. 전파 간섭계의 경우 대량의 안테나가 필요해 비용이 많이 들고, 전파적으로 조용한 장소에 지어야 하기 때문에 한 나라가 추진하기는 어려워 국제 계획이 되기도 한다고 한다.

21cm선 관측은 두 종류의 신호를 목표로 한다. 하나는 신호의 요동으로, 공간의 위치마다 21cm선의 세기가 다른 것을 포착하려는 것이며 전파 간섭계로 시도되고 있다. 다른 하나는 글로벌 시그널로, 신호의 평균적인 세기를 조사하는 것이며 파라볼라 안테나 같은 형태의 비교적 단순한 안테나로 시도되고 있다.

2018년, EDGES라는 그룹이 글로벌 시그널을 검출했을지도 모른다는 논문을 발표했다. 당시 파리 천문대에서 연구하고 있던 시마부쿠로는 매우 흥미진진한 논문일지도 모른다며 흥분한 채 읽어 나갔다. 하지만 읽어 나가는 동안 '이상하다'고 느꼈다. 보고된 신호가 이론적인 예측보다 훨씬 강했기 때문이다. 기존의 표준적인 물리학이나 천체물리학 이론으로는 설명할 수 없는 신호가 검출된 셈이 되어, 시마부쿠로를 포함한 많은 연구자가 당혹스러워했다고 한다.

한편 인도 주도의 SARAS 3도 글로벌 시그널 검출을 목표로 관측을 계속했지만 신호는 검출되지 않았고, EDGES의 결과를 뒷받침할 수 없었다. 이 상태는 지금도 이어지고 있으며, 검출했다고 주장하는 EDGES와 검출하지 못했다는 SARAS 3의 결과가 병존하고 있어 제3자의 검증이 기다려지고 있는 것이 현状이라고 시마부쿠로는 설명했다.

시마부쿠로 개인으로서는 EDGES의 결과가 사실이라면 표준 이론으로 설명할 수 없으니 굉장히 재미있을 것이라고 하면서도, 관측 오차 평가 등에 잘못이 있었다고 보는 편이 보수적이긴 하지만 현실적이지 않을까 생각하고 있다.

전파 간섭계는 다수의 안테나를 사용하는 대규모 관측이 된다. 향후 계획인 SKA는 약 13만 대의 안테나로 21cm선 신호를 검출하려는 거대한 망원경으로, 한 나라로는 감당할 수 없기 때문에 유럽을 중심으로 각국이 자금을 분담해 건설이 진행되고 있다. SKA에는 관측하는 주파수의 차이에 따라 SKA-Low와 SKA-Mid가 있으며, 21cm선 관측에 사용되는 것은 호주에 설치되는 SKA-Low라고 한다.

시마부쿠로는 SKA 일본 그룹에서 과학 검토반의 반장을 맡고 있다. SKA의 목표는 21cm선만이 아니라 우주의 자기장이 어떻게 생겨났는지, 암흑물질과 암흑 에너지의 성질, 나아가 외계 생명체로부터의 신호 검출까지 다방면에 걸쳐 있다. 일본 그룹은 각각의 목표에 관심을 가진 연구자들이 모여 팀을 만드는 방식으로 활동하고 있다.

완전히 완성되는 것은 2030년대로 여겨지지만, 완성을 기다리지 않고 안테나를 늘려 가며 단계적으로 관측하고 얻어진 데이터를 검증해 나간다. 첫 검증은 2027년경 이루어질 전망이며, 시마부쿠로는 시청자가 보고 있는 2026년의 이듬해에는 초기 관측이 시작될 예정이라고 말했다. 완성되면 MWA, LOFAR, HERA, uGMRT 같은 현재 장치를 크게 웃도는 성능을 갖추어, 21cm선 관측에서 최강의 망원경이 될 것으로 기대되고 있다.

SKA의 목표 중 하나인 외계 생명체 신호 검출에 대해 시마부쿠로는 다음과 같이 설명했다. 지구인과 마찬가지로 발달한 문명이라면 전파로 통신하고 있지 않을까 예상하고, 그 전파를 SKA로 포착할 수 있을지도 모른다고 생각하는 것이다. 낙관적인 추정이라고 전제한 뒤, 지구에서 수 광년에서 수십 광년 정도의 비교적 가까운 곳에 외계 생명체가 있고 항공기에 쓰는 것 같은 레이더를 사용하고 있다면, 그 정도의 신호라면 SKA로 관측할 수 있을지도 모른다는 논문도 나와 있다고 한다.

만약 시마부쿠로 본인이 그런 전파를 포착한다면 어떻게 할까. 우선 의심하고, 외계 생명체를 필요로 하지 않는 설명이 가능한지를 생각할 것이라고 시마부쿠로는 답했다. 많은 연구자와 논의하고, 정말로 외계 생명체에게서 온 전파라는 것이 밝혀지더라도 갑자기 공표하면 혼란을 초래할 수 있으므로 신중하게 대응할 것이라고 한다.

SKA는 중력파 관측에도 사용할 수 있다고 제안되어 있다. 시마부쿠로에 따르면 중력파에는 다양한 주파수와 파장이 있으며, SKA를 이용한 검출 방법은 기존 중력파 관측과는 다른 주파수 대역에 기여할 수 있다. 보통 크기의 블랙홀끼리 서로 도는 경우 외에도, 은하 같은 큰 천체가 합체하는 경우나 은하 중심의 초대질량 블랙홀끼리 충돌하는 경우에도 중력파가 나온다고 여겨진다. 메커니즘에 따라 중력파의 주파수가 다르기 때문에, 다양한 주파수의 중력파를 검출하는 것이 서로 다른 물리 메커니즘을 조사하는 데 중요하다고 한다.

SKA에도 약점이 있다. 지구상에서 관측한다는 점이다. 지구상에서는 많은 사람이 전파를 이용하며 생활하고 있어, 그 인공 전파가 21cm선 관측에 방해가 된다. 게다가 지구에는 전리층이 있어 우주에서 오는 21cm선을 튕겨 내 버린다.

이를 피하기 위해 지구를 벗어나 관측한다는 선택지가 있으며, 그 첫 번째 후보가 달의 뒷면이라고 시마부쿠로는 말한다. 인공 전파는 매우 강해서 스마트폰 전파조차 달까지 닿지만, 달의 뒷면에는 지구에서 오는 전파가 닿지 않는다. 게다가 달에는 대기가 없어 전리층도 없다. 전파적으로 매우 조용한 환경이어서 21cm선 관측에 적합하다.

달의 뒷면에 전파 망원경을 짓는 계획은 미국과 인도 등 여러 나라가 제안하고 있다. 중국은 달 궤도에 위성을 보내 달 주위에 망원경을 배치해 관측하는 계획을 구상하고 있으며, 2028년에서 2029년경 발사를 예정하고 있어 앞으로 몇 년 안에 실시될 것이라고 한다. 일본에서도 JAXA를 중심으로 쓰쿠요미 계획이 추진되고 있다.

향후 전망으로 시마부쿠로는 SKA 건설이 이미 시작되었으므로 몇 년 안에 완성되어 관측이 시작되고, 2030년대에는 SKA를 통한 전파천문학이 크게 활기를 띨 것이 틀림없다고 말했다. 21cm선에 국한되지 않고 전파천문학 전체가 크게 발전할 것이므로, 젊은 학생이 이 분야에 뛰어든다면 천문학의 흐름이 크게 바뀌는 시대에 연구할 수 있을 것이라고 한다. 나아가 2040년대, 2050년대에는 달 표면에서의 전파천문학이 다음 목표가 되어 다시 한번 큰 전환점을 맞을 것이라고 시마부쿠로는 개인적으로 생각하고 있다.

한편 21cm선 관측은 결코 녹록지 않다. SKA나 달 표면 망원경 같은 강력한 장치에 더해, 신호를 분석하는 기술 등 인간의 지혜와 궁리가 시험받는 장이기도 하다. 시마부쿠로는 자신의 연구자 생활 동안 21cm선 관측을 실제로 수행하고, 얻은 지견을 세상에 환원할 수 있다면 매우 흥미진진할 것이라고 말했다. 우주 암흑시대의 21cm선은 아직 아무도 포착하지 못했으며, EDGES 결과의 진위도 제3자의 검증을 기다리는 단계에 있다.