제임스웹 우주망원경의 첫 번째 딥필드 사진 : SMACS 0723

Image&credit:: NASA,ESA,CSA,andSTScI

 

• '제임스웹 우주망원경의 첫 번째 딥필드'로 알려진 SMACS 0723 은하단 사진은 2022년 7월 11일, 백악관에서 조 날리면 대통령에 의해 처음으로 공개되었다. 
• 이 사진을 찍기 위해 제임스웹 우주망원경이 겨냥한 하늘의 너비는 보통 사람이 손을 쭉 뻗었을 때 손끝에 올려놓은 모래알 하나 크기 정도에 지나지 않는다. 그처럼 작은 부분에도 수천 개의 은하가 담겨 있는 것이다.  
• 제임스웹 우주망원경이 가지고 있는 고해상도 근적외선 촬영 능력은 극단적인 거리로 떨어져 있는 희미한 은하의 모습을 보여주는 한편 초기 우주의 가장 상세한 모습을 제공해 주고 있다. 
• NASA 및 파트너 기관은 '스펙트라(spectra)'로 알려진, 제임스웹 우주망원경이 촬영하고 수집한 첫 번째 사진과 데이터를 2022년 7월 12일 NASA TV를 통해 발표하였다.

 

제임스웹 우주망원경이 가장 멀리 떨어진 우주를 최고해상도의 적외선 사진으로 담아냈다. 
제임스웹 우주망원경이 촬영한 첫번째 딥필드 사진은 수 천여 개의 은하들이 담겨 있는 SMACS 0723 은하단을 촬영한 것이다.

이 사진에는 적외선대역으로 담아낸 가장 희미한 천체들도 담겨 있다. 

SMACS 0723 은하단은 막대한 질량으로 중력렌즈 작용을 하면서 훨씬 더 멀리 떨어진 은하들의 모습을 확대해준다.
이렇게 확대된 은하들 중에는 우주의 나이가 채 10억 년도 되지 않았던 시절의 은하도 존재한다. 

사진은 제임스웹 우주망원경에 장착된 근적외선 카메라(Near-Infrared Camera, 이하 NIRCam)로 촬영되었으며 
총 12.5시간의 노출시간 동안 획득한 다양한 파장의 사진을 합성하여 만들어졌다. 
이로서 허블우주망원경이 수 주동안의 노출을 통해 담아낸 가장 깊은 우주의 사진보다 훨씬 더 깊은 우주를 적외선사진으로 담아낼 수 있었다. 

하지만 이것은 시작일 뿐이다. 
과학자들은 훨씬 더 긴 노출을 사용하여 훨씬 더 방대한 우리 우주의 모습을 밝혀낼 것이다. 

사진에 담긴 SMACS 0723 은하단의 모습은 46억년 전 모습이며, 은하단 앞 뒤에 있는 수많은 은하들의 모습이 함께 담겨 있다. 
과학자들은 데이터 분석을 통해 이 은하단에 대한 훨씬 더 많은 정보들을 캐낼 것이다. 

동일한 지역이 제임스웹 우주망원경의 중적외선 장비(Mid-Infrared Instrument, 이하 MIRI)로도 촬영되었다. 

제임스웹 우주망원경의 NIRCam은 머나먼 은하들을 면도칼과 같은 해상도로 포착해냈다.
그 결과 성단이나 희미하게 퍼져있는 구조와 같은, 이전에는 볼 수 없었던 미세하고 희미한 은하의 구조들이 모습을 드러냈다. 
이 은하들의 빛은 수십억 광년의 거리를 날아와 우리에게 닿을 수 있었다. 

이 사진에 담겨 있는 은하 중 가장 어린 은하는 빅뱅이 있은 후 고작 10억 년도 채 되지 않았던 시기에 존재하던 은하들이다. 

머나먼 우주에서 출발한 빛은 우주의 팽창 때문에 적외선 대역까지 밀려나게 된다.(적색편이현상)  
제임스웹 우주망원경은 바로 이 빛들을 포착하기 위해 설계된 망원경이다. 

 

과학자들은 곧 이 은하들의 질량과 나이, 연대기와 조성을 파악하기 위한 연구를 시작할 것이다. 

 

사진에는 아치 형태의 구조물들이 확연히 눈에 띤다. 
이는 은하단이 만들어낸 강력한 중력장으로 인해 그 뒤에 있는 은하에서 출발한 빛이 휘어지면서(중력렌즈) 만들어진 것이다. 이는 돋보기가 대상을 휘어진 모습으로 보여주는 것과 같은 이치이다. 

 

방사형으로 뿜어져 나오는 별빛들은 짧은 파장에서 더 밝게 빛나기 때문에 훨씬 더 두드러지게 보인다. 

MIRI가 촬영한 사진은 만화경과 같은 모습을 보여준다. 
이 사진에는 우주먼지가 존재하는 지역이 강조되어 있는데 이 먼지들은 주로 새로운 별을 만드는 재료가 되며, 결국 이로부터 생명도 탄생하게 된다.  

동일지역을 MIRI와 NIRCam으로 촬영한 모습, 왼쪽이 MIRI, 오른쪽이 NIRCam이 촬영한 것이다.Imagecredit:NASA,ESA,CSA,and STScI

 

파란색 은하는 많은 별을 가지고 있지만 먼지는 거의 없는 은하들이다. 
붉은 색 천체는 두꺼운 먼지층에 휘감겨 있는 천체들이다. 
초록색 은하는 탄화수소를 비롯한 화학적 복합물이 가득차 있는 은하들이다. 

과학자들은 이러한 데이터들을 이용하여 은하가 어떻게 생겨나고 어떻게 성장하며 어떻게 서로 합쳐지는지, 그리고 어떤 경우에 더 이상 새로운 별들을 만들지 않게 되는지 등을 연구하게 될 것이다. 

제임스웹 우주망원경은 사진 뿐만 아니라 분광 데이터도 수집하였다. 

 

분광 데이터를 활용하면 대상 천체의 물리적, 화학적 속성을 알 수 있는데 이를 통해 사진에 담긴 머나먼 은하들에 대해 훨씬 더 상세한 정보를 알 수 있게 된다. 
 
제임스웹 우주망원경에 장착된 근적외선 분광기(Near Infrared Spectrograph, 이하 NIRSpec)의 마이크로셔터 배열(microshutter array)은 한 번에 48개 은하를 관측해낼 수 있다.   
우주 연구에서 처음으로 활용된 이 기술을 통해 개개 대상에 대한 완벽한 상세 데이터를 수집할 수 있다. 
  
이 데이터에 의하면 사진에 담긴 은하 중 하나의 빛은 우리에게 도달하기까지 131억년이 걸렸다. 

NIRSpec 데이터는 또한 제임스웹 우주망원경 얼마나 상세하게 은하의 분광데이터를 수집할 수 있는지도 보여준다. 

최종적으로 근적외선 화상기와 연속 분광기(Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph, 이하 NIRISS)는 
슬릿이 없는 광대역분광기술(Wide-Field Slitless Spectroscopy)을 이용하여 사진에 담긴 모든 천체의 분광 데이터를 한 번에 얻어냈다. 
그 결과 사진에 담긴 수많은 은하중 하나가 거울상을 보여주고 있다는 것이 밝혀졌다. 

 

중력렌즈 작용에 의해 두 개의 대칭상으로 나타난 하나의 은하, 지문과 같은 분광데이터(오른쪽)를 통해 포착해낼 수 있었다.

 

SMACS 0723 남반구의 별자리인 날치자리 인근에서 볼 수 있다. 

출처 : NASA 제임스웹 우주망원경 공식 사이트 2023년 7월 13일 뉴스