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100억년이 넘는 왜소은하 화가자리2(Pictor II)에 있는 별들. 이 사진 속 별 중 하나인 픽투-503(PicII-503)이 최초의 2세대 별 집단에 속하는 것으로 나타났다. 수천개의 별로 이뤄진 화가자리2 은하는 우리 은하의 위성 은하인 대마젤란운의 위성 은하다. NOIRLab 제공


천문학자들은 별들을 특성에 따라 3세대로 구분한다. 세대를 나누는 기준은 별이 머금고 있는 중원소의 함량이다. 중원소란 빅뱅 이후 가장 먼저 등장한 수소와 헬륨보다 무거운 원소를 말한다.
가장 먼저 생긴 1세대(제3그룹) 별은 이 수소와 바다이야기오락실 헬륨만으로 이뤄져 있다. 우주 초기에 짧게 빛을 발하다 사라졌기 때문에 아직 관측된 적이 없다. 2세대(제2그룹) 별은 1세대 별이 폭발하며 남긴 소수의 중원소를 포함한 별이다. 그 성분을 분석하면 1세대 별의 모습을 유추해볼 수 있다. 따라서 오늘날까지 우리에게 빛을 뿜고 있는 2세대 별들은 초기 우주의 정보를 담아 전해주는 우주의 화석이라고 할 수 있다 사이다쿨 . 태양계는 물론 우리 은하 너머의 먼 우주에서 별을 찾아내는 천문학자들은 우주 고고학자나 마찬가지인 셈이다. 질량이 작은 별일수록 핵융합 연료가 천천히 소진되기 때문에 수명이 길다. 3세대(제1그룹)는 앞선 과정들이 반복되면서 더욱 무거운 중원소를 포함하게 된 별이다. 우리 지구의 중심별 태양은 3세대에 속한다.
먼 우주에서 2세대 별을 황금성슬롯 찾으려면 중원소의 수와 양이 아주 적은 별을 찾아야 한다. 과학자들은 별에서 나오는 빛의 파장을 분석해 구성 원소를 알아낸다.



지구에서 15만광년 거리에 있는 화가자리2의 별 ‘픽투-503’(PicII-503). 우리 은하 밖에서 관측된 별 중 철 함량이 가장 낮다. NO 바다이야기pc버전다운 IRLab 제공


철은 4만배 적고 탄소는 3천배 많아

미국 시카고대가 주축이 된 연구진이 지구에서 약 15만광년 거리에 있는 왜소은하 화가자리2(Pictor II)에서 2세대 별에 속하는 픽투-503(PicII-503)을 발견해 국제학술지 ‘네이처 천문학’에 사아다쿨 발표했다.

이번 발견은 미국 국립과학재단 국립광학적외선천문학연구소(NOIRLab)가 운영하는 칠레 세로톨롤로미주천문대의 지름 4m 빅터블랑코망원경의 암흑에너지카메라(DEcam)를 이용해 이뤄졌다. 연구진은 특수 필터를 이용해 수백개의 별 중에서 유난히 금속 함량이 낮은 이 별을 찾아낼 수 있었다. 분석 결과 나이가 100억년이 넘는 이 별은 태양보다 철은 4만3천배, 칼슘은 16만배나 적은 것으로 나타났다.
연구진은 “이 별은 우리 은하 밖에서 관측된 별 중 철과 칼슘 함량이 가장 적은 별 가운데 하나”라며 “1세대 별의 흔적을 그대로 간직한 2세대 별을 처음으로 명확하게 찾아낸 사례”라고 밝혔다.



화가자리2 은하(왼쪽)과 이번에 발견한 2세대 별 픽투-503(오른쪽). NOIRLab 제공


연구진은 이 별이 엄청난 양의 탄소를 갖고 있다는 사실도 발견했다. 태양과 비교할 때 철, 칼슘 등 무거운 원소에 대비한 탄소의 비율이 3000배에 이른다.
하지만 오늘날 관측 가능한 오래된 별들은 대부분 탄생지에서 다른 곳으로 이동한 후여서, 탄소 함량이 많아지게 된 이유를 찾아내기 어렵다. 마치 도굴꾼이 파헤쳐 기념품으로 팔아버린 고대 도자기와 비슷한 상황이다. 그런데 이 별은 운좋게도 원래의 은하에 그대로 남아 있었다.



이번 발견에 쓰인 빅터블랑코망원경이 설치된 칠레 세로톨롤로미주천문대(CTIO). NOIRLab 제공


1세대 별의 저에너지 폭발 이론 뒷받침

연구진은 이는 1세대 별의 폭발 방식과 관련한 기존 이론을 뒷받침해주는 발견이라고 평가했다. 기존 이론에 따르면 보통 초신성 폭발은 별의 모든 물질을 먼 우주로 날려 보내지만, 이 별의 조상인 1세대 별은 폭발 에너지가 약해 일부 원소만 가까운 우주로 내보낸다. 예컨대 철처럼 무거운 중원소들은 폭발 때 오히려 중심부로 빨려들어가고, 바깥쪽에 있는 탄소 같은 가벼운 중원소만 방출한다. 이렇게 해서 탄소만 가득하고 철은 거의 없는 가스 구름이 주변에 생기고, 이것이 나중에 2세대 별로 다시 태어나게 된 것이다.

이번 관측 프로그램 책임자인 크리스 데이비스(국립과학재단)는 “이번 발견은 우주 최초 별들의 흔적을 간직한 희귀한 별 화석을 발굴한 우주고고학 성과라고 할 수 있다”고 말했다.

*논문 정보

Enrichment by the first stars in a relic dwarf galaxy.

https://doi.org/10.1038/s41550-026-02802-z


곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr