국제 연구팀 "구상성단 39개 분석…GSE 병합보다 18억년 앞선 병합 확인"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 우리은하(Milky Way)가 형성되는 데 크게 기여한 것으로 알려진 가이아-소시지-엔켈라두스(GSE) 병합보다 18억년 앞선 약 123억년 전에도 초기 우리은하와 다른 은하계의 병합이 있었다는 연구 결과가 나왔다.

지구의 밝게 빛나는 대기층 위로 우리은하(Milky Way)가 펼쳐져 있다. 사진은 2025년 8월 23일 국제우주정거장(ISS)에서 촬영한 것. [NASA·JAXA 제공. 재판매 및 DB 금지]

이탈리아 국립천체물리학연구소(INAF) 다비데 마사리 박사팀은 18일 과학 저널 네이처 천문학(Nature Astronomy)에서 우리은하의 구상성단(globular cluster) 39개의 나이와 금속함량, 운동 특성을 분석, 123억년 전 우리은하와 '저에너지-크라켄-헤라클레스'(LKH)라는 다른 은하계가 병합한 흔적을 확인했다고 밝혔다.

연구팀은 39개 구상성단에는 우리은하 속했던 집단과 약 100억년 전 가이아-소시지-엔켈라두스(GSE)와 병합에서 유입된 집단 외에 제3의 구상성단 집단이 존재했다며 이 집단은 약 123억년 병합된 다른 천체의 흔적으로 분석됐다고 말했다.

우리은하 같은 큰 은하는 작은 은하 등 여러 구성 요소와 오랜 시간에 걸쳐 병합하면서 성장한 것으로 추정된다. 우리은하에서는 약 100억년 전 끝난 GSE 병합이 지금까지 알려진 가장 큰 병합 사건이었다.

GSE 병합은 GSE의 질량이 당시 우리은하의 약 4분의 1~5분의 1에 이를 정도로 큰 병합이었고, 동역학적 가열과 별 형성 증가를 통해 현재의 두꺼운 원반 형성에도 영향을 준 것으로 알려져 있다.

연구팀은 그러나 초기에는 우리은하가 지금보다 훨씬 작아 병합해 들어온 천체와 규모가 비슷했고, 은하 내부에서 별과 물질이 빠르게 섞이면서 병합의 흔적이 상당 부분 사라졌기 때문에 100억년보다 더 오래된 우리은하 역사를 복원하는 일은 쉽지 않다고 지적했다.

연구팀은 이 문제를 풀기 위해 오래된 별들이 무리를 이룬 구상성단을 '시간 기록'으로 활용했다. 허블 우주망원경(HST) 관측 자료를 이용해 구상성단의 상대적 나이를 정밀 측정하고, 연령-금속함량 관계를 분석했다. 연령-금속함량 관계는 별의 나이와 별이 만들어질 당시 화학적 진화 정도를 보여주는 일종의 '시간표'다.

또 새로 17개 구상성단을 분석해 전체 분석 대상 구상성단을 39개로 늘렸고, 상대적 나이의 전형적인 오차를 수억 년 수준까지 낮췄다.

39개 구상성단의 운동 특성과 연령-금속함량 관계를 분석한 결과, 기원이 뚜렷하게 구분되는 3개의 구상성단 집단이 공존하는 것으로 확인됐다.

하나는 초기 우리은하에 속했고, 다른 하나는 약 100억년 전 병합한 GSE에 속했으며, 나머지 하나는 이 두 집단과 명확히 구분되는 별도의 집단이었다.

특히 기존에 '저에너지' 집단으로 분류됐던 구상성단 중 12개가 독립된 연령-금속함량 배열을 보였고, 이들은 은하 중심에서 약 2만 광년 이내에 몰려 있었다.

연구팀은 이 집단을 병합을 일으킨 선조 계(progenitor system)로 추정되는 크라켄(Kraken)과 저에너지(Low-energy), 헤라클레스(Heracles)와의 연관성을 반영해 저에너지-크라켄-헤라클레스(LKH)로 이름 붙였다.

LKH의 항성 질량은 약 5억 태양질량으로 추정되는 GSE와 불확실성 범위에서 비슷한 것으로 나타났으며, 우리은하와의 병합 시점은 GSE보다 약 18억년 이른 약 123억년 전으로 추정됐다.

연구팀은 이 연구가 우리은하 초기의 모든 병합을 찾아낸 것은 아니라며 구상성단이 없었거나 이미 완전히 흩어진 천체, 또는 규모가 더 작은 선조 계가 추가로 존재했을 가능성이 있다고 밝혔다.

이어 이 연구는 우리은하의 유년기를 별의 나이와 화학적 특성을 결합해 시간 순서로 복원할 수 있는 단서를 마련했다는 데 의미가 있다며 별의 내부 진동을 이용해 나이를 추정하는 방법이나 가이아 자료를 이용한 분석 등은 초기 우리은하의 성장사를 밝히는 데 중요한 자료가 될 것이라고 덧붙였다.

◆ 출처: Nature Astronomy, Davide Massari et al., "Evidence of a massive accretion event 1.8 billion years before the Gaia-Sausage-Enceladus merger", https://www.nature.com/articles/s41550-026-02931-5

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