암흑시대 (Dark Ages (Cosmology))
쉽게 풀면
우주에 원자가 막 생겨났지만 아직 별이 태어나지 않아서 빛이 거의 없었던 시기다.
왜 중요한가
암흑시대는 재결합 이후 첫 별이 태어나기 전까지 빛나는 천체가 없던 시기로, 최초 구조 형성의 초기 조건을 그대로 간직한 구간입니다. 이 시기의 중성 수소가 남긴 21cm 선을 적색편이된 저주파 전파로 잡으려는 실험이 진행 중이며, 성공하면 CMB보다 훨씬 많은 정보를 담은 삼차원 지도가 됩니다. 종족 III 별의 출현 시점과 재이온화의 시작을 정하는 배경이기도 합니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
이 리뷰는 재결합 이후부터 최초의 별과 퀘이사가 형성되어 우주를 재이온화하기까지의 암흑시대 물리를 이론적으로 정리했다.
이 문장은 신호 자체를 발견했다는 것이 아니라, 신호를 잡아내는 데 필요한 관측 장비의 성능 한계를 다시 계산한 예입니다.
조금 더 깊게 보면
암흑시대에도 우주는 CMB 광자로 가득했으므로 문자 그대로 어두웠던 것은 아니며, 가시광을 내는 천체가 없었다는 뜻입니다. 21cm 신호는 우리 은하의 전파 전경보다 수만 배 약하고 지구 전리층과 인공 전파의 방해까지 받아 검출이 극히 어렵습니다. 2018년 보고된 흡수 신호의 해석을 두고 논쟁이 있어 아직 확립된 관측은 없습니다. 이 시기 중성수소의 21cm 신호는 배경 CMB 광자에 대해 흡수 또는 방출로 나타나는데, 그 부호와 세기가 가스 온도와 최초의 항성 복사가 언제 얼마나 강했는지를 드러내는 정보가 된다. 최초의 항성과 준항성 천체가 방출하는 자외선이 주변 수소 가스의 스핀 온도를 배경복사 온도와 다르게 결합시키는 과정(보우투이젠-필드 결합)이 21cm 신호가 언제 뚜렷해지는지를 정한다.
주의할 점
암흑시대에는 가시광 관측이 불가능하지만 중성 수소의 21cm선을 이용하면 이 시기를 간접적으로 탐사할 수 있는 것으로 기대된다. 2018년 EDGES 실험이 보고한 흡수 신호는 표준 모형이 예측한 것보다 훨씬 깊어, 암흑물질과 보통 물질의 추가 상호작용 같은 새로운 물리를 요구한다는 해석이 나왔지만 2022년 SARAS 3 실험은 이 신호를 지지하지 않는 결과를 보고해 아직 확인되지 않은 상태다.