우주 첫 별, 난류 속에서 태어나다···시뮬레이션으로 드러난 별의 비밀

우주의 기원을 밝히는 일은 천문학의 핵심 목표다. 빅뱅 직후 초고온 플라스마 상태였던 우주는 수십억 년 동안 냉각·팽창하며 오늘날의 구조를 형성했다. 그 과정에서 ‘III족 별(Population III)’이 핵융합을 시작하며 처음으로 우주에 빛을 더한 순간이 결정적 전환점이었다. 이 별이 태어나기 전 약 37만 년부터 수억 년 동안은 별이 없는 ‘암흑시대(Dark Ages)’로, 우주는 투명했지만 광원은 존재하지 않았다.

이 시기를 직접 관측하는 것은 불가능에 가깝다. 제임스 웹 우주망원경(JWST)이 초기 은하의 빛을 포착했지만, 130억 년 전 개별 별이 형성되는 장면은 볼 수 없다. 이를 대신해 연구진은 ‘GIZMO’ 시뮬레이션 코드와 대규모 우주 모형 ‘IllustrisTNG’ 데이터를 결합해, 첫 별이 형성된 환경을 정밀하게 모사했다.

대규모 우주 구조에서 포착한 난류의 역할

연구팀은 태양 질량의 1.05×10⁷배에 해당하는 암흑물질 미니헤일로 내부에서 별 형성을 계산했다. 기존 연구가 0.3~2Mpc 크기의 작은 범위를 다룬 것과 달리, 이번에는 50Mpc 규모의 초기 조건을 적용했다. 여기에 ‘입자 분할(particle-splitting)’ 기법을 더해 해상도를 약 10⁵배 높였고, 파싱 단위 이하 규모에서 가스 흐름을 추적했다.

시뮬레이션에서 가스는 암흑물질 구조의 중력 우물로 흘러들며 수렴점에서 충돌했고, 얇은 가스 필라멘트가 형성되며 회전이 시작됐다. 이때 가스 유입 속도는 음속의 5배에 달해 강한 난류를 만들었고, 원시 가스 구름은 여러 조각으로 나뉘었다. 이 격동하는 흐름은 별 형성을 방해하기는커녕 오히려 촉진했으며, 일부 조각은 태양 질량 8배 크기의 별로 성장할 준비가 된 상태였다.

첫 별, 예상보다 작고 무리지어 형성

전통적으로 III족 별은 질량이 80~260배에 달하는 거대 항성이 단독으로 태어나, ‘쌍불안정 초신성’ 폭발과 함께 뚜렷한 금속성 흔적을 남겼을 것으로 여겨졌다. 그러나 이번 연구는 첫 별이 그보다 훨씬 작고 여러 개가 한꺼번에 형성됐을 가능성을 제시한다. 이 경우 대규모 초신성 폭발은 드물어지고, 금속성 흔적도 옅어져 지금까지 관측에서 뚜렷한 서명이 발견되지 않은 이유를 설명한다.

연구진은 그 원인을 ‘초기 구조 형성 과정에서 발생한 난류’로 지목했다. 이 난류가 원시 가스 구름의 형태와 별의 질량 분포를 결정했으며, 기존 형성 이론의 재검토가 필요하다는 것이다. 이번 연구는 대규모 우주 구조와 초기 별 형성의 미시 과정을 처음으로 직접 연결한 사례로, ‘우주 새벽’의 이해를 한층 넓혔다.

손동민 기자/ hello@sciencewave.kr

참고 논문: Ke-Jung Chen et al, Formation of Supersonic Turbulence in the Primordial Star-forming Cloud, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/adf18d

자료: Astrophysical Journal Letters