A crowded field of galaxies throngs this Picture of the Month from the NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope, along with bright stars crowned with Webb’s signature six-pointed diffraction spikes. The large spiral galaxy at the base of this image is accompanied by a profusion of smaller, more distant galaxies which range from fully-fledged spirals to mere bright smudges. Named LEDA 2046648, it is situated a little over a billion light-years from Earth, in the constellation Hercules. One of Webb’s principle science goals is to observe distant — and hence ancient — galaxies to understand the details of their formation, evolution, and composition. Webb’s keen infrared vision helps the telescope peer back in time, as the light from older, more distant galaxies is redshifted towards infrared wavelengths. Comparing these galactic fossils to modern galaxies will help astronomers understand how galaxies grew to form the structures we see in the universe today. Webb will also probe the chemical composition of thousands of galaxies to shed light on how heavy elements were formed and built up as galaxies evolved. To take full advantage of Webb’s potential for galaxy archeology, astronomers and engineers must first calibrate the telescope’s instruments and systems. Each of Webb’s instruments contains a labyrinthine array of mirrors and other optical elements that redirect and focus starlight gathered by Webb’s main mirror. This particular observation was part of the commissioning campaign for Webb’s Near-InfraRed Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS). As well as performing science in its own right, NIRISS supports parallel observations with Webb’s Near-InfraRed Camera (NIRCam). NIRCam captured this galaxy-studded image while NIRISS was observing the white dwarf WD1657+343, a well-studied star. This allows astronomers to interpret and compare data from the two different instruments, and to characterise the performance of NIRISS. [Image description: Many stars and galaxies lie on a dark background, in a variety of colours but mostly shades of orange. Some galaxies are large enough to make out spiral arms. Along the bottom of the frame is a large, detailed spiral galaxy seen at an oblique angle, with another galaxy about one-quarter the size just beneath it. Both have a brightly glowing core, and areas of star formation which light up their spiral arms.] Links Wider view of LEDA 2046648
무에서 유를 생성하는 건 불가능하기 때문에 예를 들어 질량을 갖지 않는 입자인 광자가 질량을 갖는 다른 입자로 변화할 수 없다. 하지만 우주가 탄생한 초기 극단적 세계에선 중력 파도로부터 빛이 발생했을 가능성이 있다는 연구 결과가 보고됐다.
지금까지 알려진 중력 성격과 행동 대부분은 아인슈타인이 세운 일반 상대성 이론을 통해 이해되고 있다. 그 중에는 중력이 발생하는 시공 왜곡이 입자 운동에 영향을 미치는 경우에도 중력 자체가 입자를 생성하는 건 일반적으로 상정되지 않는다. 하지만 중력은 중력자라고 불리는 눈에 보이지 않는 입자에 의해 전달되고 있다고 생각되고 있으며 이 중력자가 다른 소립자처럼 행동하거나 다른 입자로 변화하는 경우도 있다는 견해도 있다.
2023년 3월 28일 아카이브에 공개된 논문에서 연구자는 정말 중력 자체가 다른 입자로 변화하는지 검증하기 위해 탄생해 얼마 안 된 극초기 우주에 눈을 돌렸다. 이 시대 젊은 우주는 아직 작고 고온이며 밀도도 높기 때문에 모든 물질과 에너지가 상상하기 어려운 규모로 응축되고 있어 이 상태는 최신 기술로 건조된 입자충돌형 가속기에서도 재현할 수 없을 정도였다고 여겨진다.
이런 우주에선 중력파가 더 중요한 역할을 하고 있었다. 현재 우주에서의 중력은 자연계를 잡는 4가지 기본적인 힘 중에서 가장 약하기 때문에 행성이나 항성 같은 큰 질량에서 발생하는 게 아니라면 눈에 보이는 작용을 미치지 않는다.
하지만 초기 극단적 상태 우주에선 중력파가 더 강했고 다른 모든 존재에 중대한 영향을 줬을 가능성이 있다고 한다. 이 초기 우주에선 중력 파동이 서로 부딪쳐 증폭되어 가며 우주 모든 존재가 파도에도 드러나 공명 효과를 일으킨다.
그리고 중력파가 펌프와 같은 역할을 하고 물질을 긴밀한 덩어리로 반복 압축해갔다. 중력파는 현대에선 블랙홀 충돌 등으로 관측되지만 중력파에는 시공 파문으로서의 성질이 있기 때문에 이 영향은 거대한 질량끼리의 충돌이라는 상호 작용에 한정되지 않고 전자장에도 영향을 줄 수 있다. 이로부터 연구자는 중력파 공명에 의한 압축이 방사선을 극단적인 고에너지 상태로 해 광자가 자연 발생하는 게 아니냐고 생각했다. 이게 중력이 빛을 낳는 메커니즘이다.
계산에 따르면 이 프로세스는 비효율적이기 때문에 급속하게 팽창하는 초기 우주에서 오래 지속되지 않는다고 한다. 하지만 초기 우주에 충분한 물질이 있었다고 하면 마치 공기 중이나 수중을 진행하는 빛이 진공 중보다 느려지는 것처럼 중력파가 길게 체류할 수 있게 되어 광자를 대량 발생시킬 가능성도 있다고 한다.
초기 우주에 관한 연구는 아직 시작 단계이며 충분히 이해됐다고 할 수 없지만 이번 연구에 의해 중력이 빛을 낳을 가능성이라는 새로운 의견이 나온다. 이 작용에 의해 만들어진 방대한 빛은 물질 형성과 우주 진화에도 영향을 미친다고 여겨지기 때문에 이번 발견 해명이 진행되면 초기 우주에 대한 이해에 새로운 혁명이 일어날 수도 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.