별이 만든 산소의 10%만 남았다 — 작은 은하 37개의 미스터리

작은 은하 37개를 하나씩 뜯어봤다. 별들이 만든 산소의 90%쯤은 사라져 있었다. 남은 것은 평균 10.7%. 그 산소는 어디로 갔을까.

왜 하필 산소인가

산소는 수소와 헬륨을 빼면 우주에서 가장 많은 원소다. 무거운 별의 핵융합으로 만들어지고, 그 양을 계산하는 이론도 꽤 정확하다. 그래서 "얼마나 만들어졌는가"와 "얼마나 남아 있는가"를 맞대어 보면 재료를 밖으로 얼마나 흘려보냈는지 짐작할 수 있다. 그런데 재고가 안 맞는다.

NASA와 NSF가 지원하는 GLOW(Galaxies Losing Oxygen via Winds) 프로젝트는 이 재고를 엄격하게 맞춰 보는 팀이다. 2026년 11월 2일, 결과가 The Astrophysical Journal 1011권 158페이지에 게재됐다.

37개 은하를 뜯어본 결과

관측 대상은 거리 6 Mpc 이내(약 1,950만 광년)의 저질소·가스 풍부 별 형성 은하 37개다. 별 질량은 태양의 300만 배(10^6.5 M☉)부터 30억 배(10^9.5 M☉) 사이. 모두 허블 망원경으로 별을 하나씩 분해할 수 있을 만큼 가깝다. 이렇게 성분을 뽑아낼 수 있는 작은 은하는 많지 않다.

자료는 아카이브 허블 광학 영상에 은퇴한 스피처, 지상 VLA와 호주 ATCA 자료를 합쳐 만들었다. 별을 하나씩 분해해 별 형성 이력을 세운 뒤, 그 별들이 만든 산소 총량과 실제로 성간 가스·먼지·별에 남은 산소를 맞췄다.

결과는 이렇다. 산소 보유율은 4~25%, 평균 10.7%(표준편차 5.1%). 가장 심한 은하는 약 3.8%만 남겼고, 가장 많은 은하는 24.8%. 37개 중 29개(약 80%)가 15% 이하였다. 남은 산소의 대부분은 성간 가스에 있고, 별이나 성간 잔해, 먼지에 든 양은 훨씬 작다.

대부분의 산소는 사라졌다. 문제는 어디로 갔는가다.

아직 답이 모르는 두 갈래

은하 주변의 성간권 매질(CGM)에서는 전리가온화된 산소가 검출된다. 산소가 거기 묶여 있을 가능성이 있다. 하지만 빠진 산소의 대부분이 머물러 있는지, 아예 밀려나갔는지는 여전히 판단할 수 없다.

논문은 주변 환경이라는 변수를 하나 더 꺼낸다. 고립된 은하의 보유율은 일관되게 낮고, 1 Mpc 이내에 별 질량 10^9 M☉ 이상인 거대한 이웃 은하가 있으며 조밀한 조석 환경(Θ5 > 0.5)에 놓인 은하에서는 15%를 넘기는 예외가 몰렸다. 8개 중 7개, 다른 모든 은하는 15% 아래였다. 밀집한 이웃의 중력장이 산소를 되돌려주거나 재순환시키는 모양이다. 표본이 작아 논문 스스로 잠정적 경향이라고 단서를 붙였다.

모델이 틀린 지점

유체역학 시뮬레이션은 질량-금속도 관계를 잘 재현하면서도 산소 보유율에서는 관측값을 2~4배 높게 예측한다. 은하가 금속을 밖으로 밀어내는 과정을 계산하는 부분이 실제보다 약하다는 뜻이다.

논문은 조절자 모델로 격차를 메우려 했다. 바람의 질량 적재 인자가 별 질량의 -0.45제곱에 반비례하고(η_w ∝ M_*^-0.45), 빠져나가는 물질의 금속도가 성간의 2배이며, 작은 은하가 받아들이는 바리온 물질이 우주 평균 대비 40% 억제되어야 관측값이 맞는다. 다만 질량별 보유율만 보면 이 두 조절값을 구분할 방법이 없다.

이게 왜 흥미로운가

작은 은하는 우주 초기 은하의 기본 단위다. 이들이 만든 중금소가 은하 사이 공간으로 얼마나 흩어졌는지는 우주 전체가 얼마나 오염되었는지를 가리킨다. 잃어버린 산소가 성간권에 붙들려 있든 완전히 증발했든, 작은 은하가 우주의 금속 분포를 결정짓는다는 뜻이다.

기대가 뒤집힌 부분도 있다. 산소 보유율이 질량-금속도 관계 위의 위치와 전혀 상관하지 않았다. 금속성도가 같아도 만들었어야 할 금속과 지금 품고 있는 금속의 간극이 다를 수 있다는 뜻이다. 바람이 얼마나 세게 불었는가가 그 간극을 지배한다. 참고로 별 질량 5×10^8 M☉를 넘는 이 은하들의 평균 보유율은 10%, SDSS 스케일링으로 계산한 M* = 10^9 M☉ 은하의 보고값은 20%, M* = 10^11 M☉인 안드로메다는 38%다.

팀은 다음 단계도 준비하고 있다. NASA의 Roman 망원경으로 더 낮은 질량의 희미한 은하를 찾고, 허블과 제임스 웹으로 그 별들을 깊이 들여다보겠다는 승인된 프로그램이 있다.

출처

• NASA Science, 'NASA's Hubble Uncovers Case of Missing Oxygen in Nearby Dwarf Galaxies' (2026-11-02)
• McQuinn et al. 2026, 'GLOW. II. A Census of Oxygen in Low-mass Galaxies', ApJ 1011, 158, DOI 10.3847/1538-4357/ae93a6 (2026-11-02 게재)
• arXiv:2608.07665 — GLOW II (astro-ph.GA) / GLOW I: arXiv:2608.07659, ApJS 287, 29
• Prochaska et al. 2014, ApJ 786, 54 — 우주과 유사 은하의 산소 손실 선행 연구