우주 ‘태초의 빛’ 찾는 일(130억년 전 은하)

130억년 전 은하… 우주 ‘태초의 빛’ 찾을까????

▲ 제임스웹우주망원경(JWST) 활동 가상도.NASA 제공

인류가 우주를 탐사하고 관찰하는 이유는 순수한 과학적 호기심과 지구 이외의 새로운 거주지 개척 등 두 가지다. 최근 이에 대한 답의 실마리를 제공하는 연구 결과가 나왔다. 2021년 크리스마스 때 발사된 미국 항공우주국(NASA)의 제임스웹우주망원경(JWST) 관측 결과와 2020년에 발사돼 이듬해부터 화성 표면을 탐사하고 있는 탐사 로버에 대한 것이다.

호주, 미국, 덴마크, 스페인 4개국 13개 연구기관이 참여한 공동 연구팀이 NASA의 JWST로 빅뱅 이후 약 5억~7억년이 지나 형성된 것으로 추정되는 거대 은하 후보군을 관측했다. 이 연구 결과는 과학저널 ‘네이처’ 2월 23일자에 실렸다.

▲ JWST는 적색편이 현상을 이용해 빅뱅 이후 5억~7억년 지나 형성된 것으로 보이는 은하단 후보를 찾아냈다. 적색편이는 물체가 관측자로부터 멀어지면 적색에 가까운 색으로 관측되는 현상이다.NASA·ESA·CSA 제공

우주는 138억년 전 빅뱅이라고 불리는 대폭발로 시작돼 지금까지 계속 팽창하고 있다. 빅뱅의 가장 강력한 증거는 우주의 모든 공간에 퍼져 있는 태초의 빛, 바로 우주배경복사다. 빅뱅 직후 초기 우주 연구는 JWST 덕분에 더 활발해지고 있다. JWST는 현존하는 광학 우주망원경 중 가장 크고 적외선 분해능이 뛰어난데, 최초의 별과 은하 형성을 관측해 우주 기원을 연구하려는 목적으로 발사됐다.

태양 질량의 1000억배에 이르는 거대 은하는 빅뱅 발생 약 10억년 후에 해당하는 적색편이 z=6 부근에서는 확인됐지만, 이보다 더 이른 시기에 형성된 거대 은하는 아직 발견하지 못했다. 적색편이는 물체가 관측자로부터 가까워지면 청록색, 멀어지면 적색에 가까운 색으로 관측되는 현상이다. 천체 나이를 측정하는 데 활용하는 방법으로, 우주 팽창으로 거리가 멀어질수록 별이 발산하는 빛이 스펙트럼의 적색 끝 쪽으로 이동한다. 즉 적색으로 보일수록 멀리 떨어진 천체라는 말이다.

연구팀은 JWST로 관측한 결과 z값이 6.5~9.1을 나타내는 은하군을 발견하고 정밀 분석한 결과 빅뱅 이후 7억 5000만년쯤에 형성된 거대 은하를 발견했다. z값이 7.5에서 9.1 사이 적색편이를 보인 6개의 거대 은하 후보를 발견했는데, 여기에는 태양 질량의 1000억배에 달하는 항성이 다수 포함된 것으로 추정된다고 연구팀은 밝혔다.

▲ 과학자들은 현재 화성에서 작동하는 탐사 장비로는 생명의 흔적을 찾기 어렵다고 밝혔다. 사진은 화성 표면과 비슷한 환경인 칠레 아타카마사막.스페인 우주생물학연구소 제공

한편 스페인 우주생물학연구센터와 NASA 고다드우주비행센터를 중심으로 칠레, 프랑스, 일본 등 5개국 20개 연구기관 과학자들은 현재 화성에 배치된 탐사 장비만으로는 생명의 흔적을 찾기 어렵다고 밝혔다.

1975년 미국 화성탐사선 바이킹1호가 화성 표면에 착륙한 이후 화성에서 생명체 흔적을 찾으려는 시도는 계속됐다. 현재 화성 표면에서는 NASA에서 보낸 큐리오시티, 퍼서비어런스 탐사 로버가 활동 중이다.

▲ 화성의 생명체 흔적과 화성 지표를 연구하기 위해 발사된 화성 탐사 로버 퍼서비어런스.NASA 제공

연구팀은 화성 탐사선들이 활동 중인 화성의 예제로 분화구와 비슷한 환경인 칠레 아타카마사막의 퇴적층에서 실험했다. 이 퇴적층은 약 1억~1억 6000만년 전에 형성됐다. 연구팀은 화성 탐사선에서 사용하는 장비로 미생물의 특징을 잡아낼 수 있는지 실험한 결과 대부분 실패한 것으로 나타났다.

연구를 이끈 아르만도 아주아 부스토스 스페인 우주생물학연구센터 박사는 “장비의 한계 또는 화성 지표면의 특성 때문에 현재 화성에서 쓰이는 장비만으로는 생명체가 존재했는지를 확인하기 쉽지 않다”며 “화성 생명체 연구를 위해서는 화성에서 시료를 채취해 지구로 보내는 것이 최선의 방법”이라고 말했다.

▲ 가장 오래된 은하 충돌의 현장인 B14-65666 상상도. 우주 탄생 10억 년이 채 안 되어 일어난 130억 광년 거리의 은하 합병이다.

우주가 탄생된 빅뱅 이후 10억 년도 채 되지 않은 때에 두 은하가 합병한 흔적이 초기 우주의 원소들에 기록되었다는 연구결과가 발표되었다. 이것이 사실이라면 우주 역사상 가장 오랜 은하 합병을 발견했다는 뜻이 된다.

연구자들은 최근 칠레 북부의 알마 전파망원경 간섭계(ALMA, Atacama Large Millimeter Array)로 지구로부터 약 130억 광년 떨어진 B14-65666으로 알려진 밝은 별 형성 은하에서 방출된 전파를 찾아냈다. 허블 우주망원경이 이전에 수행한 자외선 스펙트럼 관측에 의하면, 해당 은하에는 별들로 이루어진 두 개의 ‘덩어리’가 있음을 보여주었는데, 이들은 각각 북동 방향의 ‘덩어리 A’와 남서 방향의 ‘덩어리 B’로 불리어졌다.

고감도 전파망원경인 알마(ALMA)를 사용한 새로운 관측 결과에 따르면, 두 ‘덩어리’ 각각에서 탄소와 산소, 먼지로부터 3가지 특징들이 확인되었다. 이 세 요소들은 모두 전파에서 독특한 신호를 만들어낸다. 이처럼 오래된 은하에서 결코 발견된 적이 없는 이러한 신호들은 B14-65666의 두 성단이 우주가 탄생한 지 10억 년이 채 되기 전에 합쳐진 두 개의 은하임을 보여주는 것이라고 새 연구는 보고했다.

유럽우주국(ESA)에 따르면, 칠레의 아타카마 사막에 있는 알마 전파간섭계는 66개의 지상 안테나를 사용하여 우주에서 가장 멀고 차가운 물체를 탐지하는 전파망원경으로, 허블 우주망원경보다 10배나 강력한 성능으로 하늘을 스캔한다.

알마의 B14-65666 관찰은 허블망원경에는 보이지 않는 신호를 잡아냈다. 연구 저자들은 두 은하 덩어리에서 분출된 먼지와 탄소, 산소를 감지했지만, ‘덩어리 A’의 분출물이 ‘덩어리 B’의 분출물과는 다른 속도로 움직이는 것을 발견했다. 이 같은 사실은 이 두 덩어리가 진행 중에 있는 ‘주요 합병’에서 충돌한 두 은하의 잔재로서, B14-65666은 은하 충돌의 역사에서 가장 오래된 사례라고 연구자들은 보고 있다.​

▲ B14-65666의 합성 이미지는 알마에 의해 관찰된 먼지(적색), 산소(녹색), 탄소(청색)의 분포를 나타낸다. 별(흰색)은 허블 우주망원경으로 의해 관찰되었다. 

연구자들은 또한 B14-65666의 높은 광도와 먼지의 고온은 활발한 별 형성에서 방출되는 강력한 자외선 복사 때문이라고 설명했다. 이 은하는 우리은하에 비해 약 10% 정도 더 크지만, 별 형성은 약 100배나 활발히 이루어지고 있다고 연구는 보고했다.

이같이 활발한 별 형성은 이 은하가 충돌과 합병으로 이루어진 은하라는 또 다른 증거가 된다. 은하 합병은 일반적으로 두 은하의 기체가 충돌의 여파로 압축됨에 따라 폭발적인 별 형성을 야기하는 것으로 알려져 있다.

“알마와 허블망원경의 풍부한 데이터를 첨단 데이터 분석기법을 통해 분석한 결과, B14-65666이 우주 초기 한 쌍의 합병 은하임을 보여주는 퍼즐 조각들을 모을 수 있었다”고 일본학술진흥회와 와세다 대학 박사후 연구원 하시모토 다쿠야 대표저자가 성명서에서 밝혔다.

다음 단계에는 질소와 일산화탄소 분자의 화학적 지문 검색을 통해 초기의 은하가 어떻게 형성되고 진화되었는지에 대한 보다 상세한 그림을 조립할 수 있을 것이라고 공동저자인 이노우에 아키오 와세다 대학 교수가 성명서에서 밝혔다. 

우리 은하를 도는 마젤란은하의 일부

약 130억년 전 우주 형성 초기에 생긴 '고대' 은하들이 우리 은하 바로 옆에 있는 것으로 밝혀졌다.

17일 Phys.com 등 과학전문 매체와 BBC방송에 따르면 영국 더럼대학 컴퓨터 우주 연구소(ICC)의 카를로스 프렌크 교수가 이끄는 연구팀은 우리 은하 주변을 도는 작은 위성 은하들이 우주 형성 초기에 생긴 은하라는 증거를 발견했다고 '천체물리학 저널(Astrophysical Journal)' 최신호에 밝혔다.

연구팀은 이번 발견이 130억년 전 우주의 창을 여는 것이라고 자평했다.

 

프렌크 교수는 "우리 은하 뒷마당에서 우주를 형성한 바로 그 첫 무리의 은하 중 일부를 발견한 것은 지구에 살았던 첫 인간의 유해를 발견한 것과 같은 것으로, 매우 흥미롭다"고 했다.

연구팀이 우리 은하와 안드로메다은하 주위를 도는 작은 은하들의 '광도함수(luminosity function)'에 주목했다. 은하는 기원과 진화에 따라 절대등급 항성의 분포가 다른데 광도함수는 그 분포를 나타내는 것이다. 연구팀이 광도함수에 따라 이 은하들을 분류한 결과, 뚜렷하게 두 부류로 나뉘었다.

희미한 빛을 가진 첫 번째 무리의 은하는 우주 생성 대폭발(빅뱅) 이후 약 38만년이 지난 뒤 시작된 '암흑시대'에 형성되고, 이보다 더 밝은 빛을 내는 은하들로 구성된 두 번째 무리는 수억년 뒤에 형성된 것으로 추정됐다.

우주 암흑시대는 냉각기로, 우주의 첫 원자인 수소 형성과 연관돼 있다. 수소 원자가 모여 가스 구름이 되고 점차 냉각되면서 빅뱅 때 만들어진 암흑물질의 작은 덩어리와 결합해 궁극에는 별을 만들었다. 이렇게 첫 무리의 은하들이 형성되면서 1억년가량 지속한 암흑시대도 끝나게 됐다.

연구팀에 따르면 첫 무리의 은하들은 우주가 아직 암흑시대에 갇힌 상태에서 강력한 자외선을 내뿜어 쉽게 관측됐다. 이들 은하가 방출한 자외선은 원자에서 전자를 분리하는 이온화 작용으로 우주에 남아있는 수소 원자를 파괴하고, 이로 인해 수소의 냉각이 어려워지면서 더는 별을 만들지 못하고 수십억년간 은하 형성도 중단됐다.

그러나 이후 '재이온화(reionisation)' 현상이 일어나면서 은하 형성도 다시 이어지게 됐다. 수소가스와 결합한 암흑물질의 질량이 커져 이온화된 수소가스가 다시 냉각 작용을 할 수 있게 되면서 우리 은하를 비롯해 더 밝은 은하들이 생기게 된 것이다.

연구팀은 이전에 개발한 은하 형성 모델이 수집된 데이터와 완벽하게 일치해 은하 형성 시기를 추론할 수 있었다고 밝혔다.

연구팀은 고대 은하들이 우주 도처에 퍼져있고 우리가 볼 수 있는 밝은 은하보다 훨씬 더 많을 것으로 추정했다. 그러면서 우리 은하 옆에서 고대 은하가 발견된 것은 상대적으로 가까이 있어 현재의 망원경 기술로도 쉽게 관측할 수 있었기 때문이라고 설명했다.

웹 망원경 '첫빛' 이미지·분광자료 공개

 미국 우주항공국(NASA·나사)이 차세대 '제임스웹' 우주망원경(이하 웹 망원경)이 찍은 수십억년 전 우주의 모습을 담은 사진을 공개했다. 사진은 웹 망원경이 포착한 은하단 'SMACS 0723'의 모습을 담은 '웹의 첫 딥 필드' 이미지. 

지금까지 알려진 가장 오래된 극초기 항성을 포함한 먼 은하의 구상성단(球狀星團·globular cluster)의 모습이 제임스웹 우주망원경(JWST)을 통해 포착됐다고 캐나다 토론토대 연구진이 밝혔다.

구상성단으로부터 온 신호를 JWST로 포착해 분석한 결과 그 안에는 우주 탄생 약 5억년 후, 즉 지금으로부터 130억년 전이거나 그보다도 전에 빛나고 있던 초기 항성들이 포함됐을 수 있다는 게 연구진의 설명이다. 이는 지금으로부터 약 46억년 전에 우리 태양이 형성된 것보다 훨씬 오래전이다.

캐나다 토론토대와 미국천문학회(AAS)에 따르면 이 대학 던랩 천문학·천체물리학 연구소 소속 라미야 모울라 박사와 카르테이크 아이어 박사 등 연구자들이 이런 분석 결과를 발표했다.

 

미국 항공우주국(NASA)이 일반에 공개한 '웹의 첫 딥 필드'(Webb's First Deep Field) 이미지에 대한 초기 분석 결과다.

우주에서 가장 이른 시기에 등장한 은하 중 일부에 관한 정보일 가능성이 있다는 게 연구진의 설명이다.

연구진은 JWST에 실린 '근적외선 카메라'(NIRCam)와 '근적외선 영상기 및 무(無)슬릿 분광'(NIRISS) 장치 등이 수집한 데이터와 과거 허블 우주망원경(HST)의 옛 데이터를 종합적으로 분석해 이런 결론을 얻었다.

모울라 박사는 "JWST의 제작 목적은 최초의 항성들과 최초의 은하들을 발견하고, 화학 원소들이나 생명을 만들어내는 기본 단위들처럼 우주에서 복잡성의 근원이 되는 것을 우리가 이해하도록 돕는 것"이라고 설명했다.

이어 "웹의 첫 딥 필드에서 이뤄진 이번 발견은 이미 항성 형성의 가장 초기 단계에 대한 상세한 정보를 주고 있다"며 이번 연구 결과가 JWST의 '믿을 수 없는 힘'을 확인해 줬다고 말했다.

연구진은 웹의 첫 딥 필드 이미지 중에서 특정 부분을 집중적으로 분석했다. 연구진이 '스파클러'라고 부르기로 한 은하가 보이는 부분이다.

이 은하는 약 90억 광년 떨어져 있다. JWST로 관측할 때 그 주변에 여러 개 보이는 노랑·빨강으로 빛나는 점(스파클)들의 정체는 분명치 않았다.

연구자들은 이런 스파클들이 우주의 시작인 대폭발(빅뱅) 30억년 후에 항성들을 활발히 형성하고 있는 젊은 성단의 모습일 수도 있고, 매우 늙은 별들이 모인 구상성단의 모습일 수도 있다고 봤다.

구상성단은 은하의 초기 시절부터 형성된 항성 수만∼수천만개가 조밀하게 모인 무리로서, 은하의 초기 형성과 성장을 밝혀 줄 실마리가 될만한 정보를 품고 있다.

우리 은하에는 약 150개의 구상성단이 있으나 이들이 정확히 언제쯤 형성됐는지는 알 수 없는 상태다.

'스파클러 은하' 주변의 점들 중 12개를 분석해 본 결과, 그 중 5개는 지금까지 알려진 가장 오래된 구상성단에 속하는 것으로 보인다고 연구진은 설명했다.

매우 멀리 떨어진 구상성단을 이용해서 먼 은하에서 가장 먼저 형성된 초기 항성들의 나이를 추정한 것은 이번이 처음이다.

아이어 박사는 "JWST로부터 온 첫 이미지들을 보고 멀리 떨어진 은하들 주변에서 오래된 구상성단들을 발견하는 것은 믿을 수 없는 순간이었다"라며 "범위가 넓은 파장들에서 스파클들을 관측할 수 있었기에 이들에 대해 모델을 만들고 이들이 얼마나 오래됐는지, 또 그 안에 항성이 몇 개나 있는지 등 물리적 성질을 더 잘 이해할 수 있었다"고 설명했다.

다만 '빅뱅으로부터 약 5억년 후, 지금으로부터 130억년 전 혹은 그보다도 전'이라는 연대 추정은 초기 분석에서 나온 것이어서 아주 확실하다고 하기는 어렵다는 평가가 나온다.

해당 연구 결과를 실은 논문은 AAS가 발행하는 학술지 '천체물리학 저널 레터스'(The Astrophysical Journal Letters)에 29일 자로 실렸다.

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