초기 우주의 은하는 어떤 모양을 갖고 있을까?

과학자들이 제임스웹 우주망원경이 촬영한 초기 우주의 은하를 분석한 결과 동그란 형태의 외형을 가진 은하보다는 길쭉하고 평평한 형태의 은하가 더 많다는 것을 알아냈다. 

이번 연구 논문의 주저자인 콜롬비아 대학 NASA 허블 연구원인 비라즈 판디야(Viraj Pandya)는 대략 50에서 80%의 은하들이 평평한 2차원 은하였다면서 이러한 형태의 은하는 오늘날 근거리 우주에서는 일반적인 형태가 아니라서 매우 놀라운 결과였다고 말했다. 

연구팀은 제임스웹 우주망원경의 우주진화초기공개과학탐사 (the Cosmic Evolution Early Release Science, CEERS)를 통해 촬영된 광활한 영역을 담고 있는 근적외선 사진에서 우주의 나이가 6억 년에서 60억 년이었을 당시의 은하를 대상으로 연구하였다. 

 

Credits Image NASA, ESA, CSA, STScI, Steve Finkelstein (UT Austin), Micaela Bagley (UT Austin), Rebecca Larson (UT Austin) Credits Science NASA, ESA, CSA, STScI, Steve Finkelstein (UT Austin), Micaela Bagley (UT Austin)

사진 1> CEERS 탐사를 통해 수집한 데이터의 한 부분, 제임스웹 우주망원경 근적외선 카메라로 촬영되었다. 

이 부분은 허블우주망원경의 탐사 대상이었던 Extended Groth Strip가 같은 지역이다. 

이 거리에 있는 대부분의 은하가 서핑보드(surfboard)형태 또는 풀누들(pool noodle)형태였으며, 다른 일부는 프리스비 원반(frisbee) 형태와 배구공 형태를 띠고 있었다. 

 

본 뉴스에서 사용하고 있는 각 형태용어에 따른 도안구분. Credits Illustration NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI). Science Viraj Pandya (Columbia), Haowen Zhang (University of Arizona), Lucy Reading-Ikkanda (Simons Foundation)

특히 배구공 형태의 은하들은 우주의 '심연'이라 부를 수 있는 부분에 집중적으로 모여 있었는데 이러한 형태의 은하는 가장 적게 발견되었다. 

반면 프리스비 원반 형태 은하는 가장 과거로 거슬러 올라간 우주의 언저리에서는 서핑보드나 풀누들 형태의 은하들만큼 많이 발견되었고 가장 가까운 우주에서는 좀더 일반적으로 나타나는 형태가 되었다. 

만약 우주의 시간을 거꾸로 되돌린다면 우리 은하 미리내는 어떤 형태의 은하였을까?

연구논문의 공동저자인 아리조나 주립대의 박사준비생인 장하오웬(Haowen Zhang)은 이때 미리내는 마치 서핑보드같은 형태였을 거라고 말했다. 

이러한 가설은 부분적으로는 제임스웹 우주망원경이 획득한 새로운 증거에 기반을 두고 있다. 
이론천문학자들은 수십억 년 전 미리내의 질량을 측정하기 위해 시간을 거꾸로 되감곤 하는데 바로 그 시점은 이번에 진행된 형태 연구와 관계있는 시점이다. 

Credits Image NASA, ESA, CSA, STScI, Steve Finkelstein (UT Austin), Micaela Bagley (UT Austin), Rebecca Larson (UT Austin)

사진 2> 우주의 나이가 6억 년에서 60억 년 사이에 존재했던 은하의 분석 결과에 따르면 풀누들이나 서핑보드처럼 길쭉한 형태의 은하가 가장 많았다. 

그 다음으로 많은 형태는 프리스비 원반처럼 평평한 원형 은하였다. 

반면 구형의 배구공 모양 은하는 가장 적게 발견되었다. 

이 시점의 은하는 우리 주변에서 볼 수 있는 나선은하나 타원은하보다 훨씬 가벼운 은하로서 우리 은하 미리내처럼 무거운 은하의 조상은하라 할 수 있다. 

이번 논문의 공동저자인 컬럼비아 대학 NASA 허블 연구원 카르테이크 아이어(Kartheik Iyer)는 초기 우주의 은하는 성장할 시간이 별로 없었다면서 다음과 같은 소감을 밝혔다. 
"초기 은하를 분류하는 작업은 정말 흥미롭습니다. 
지금은 분석할 대상도 훨씬 많죠. 
이제 우리는 은하가 어떻게 보이는지와 관련지어 어떻게 은하가 꼴을 갖추게 되었는지를 연구할 수 있고, 이들이 어떻게 형성되었는지 보다 상세하게 바라볼 수 있게 되었습니다."
 
제임스웹 우주망원경의 고해상도, 고감도 관측 능력 및 적외선에 특화된 관측 성능 덕에 연구팀은 CEERS 은하의 분류와 입체적 모델링을 빠르게 처리해내고 있다. 

판디야는 수많은 천문학자들이 허블우주망원경으로 진행한 선행작업이 없었다면 자신들의 연구는 불가능했을 거라 말했다. 

허블우주망원경은 1995년 첫 번째 '딥필드' 사진을 필두로 CANDELS 탐사(Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey, 근적외선을 이용한 깊은 우주의 외계은하 조합탐사)에 이르기까지 수많은 초기 은하의 사진으로 우리에게 놀라움을 안겨주었다. 

이와 같은 깊은 우주 탐사로 수많은 데이터가 축적되었고 천문학자들은 이를 이용하여 전시대에 걸쳐 있는 머나먼 은하에 대한 든든한 3D 모델을 구축할 수 있게 되었다. 

오늘날 제임스웹 우주망원경은 허블의 연구영역을 뛰어넘는 훨씬 더 머나먼 초기 우주의 모습을 상세하게 제공함으로써 이러한 노력에 디딤돌을 제공해 주고 있다. 

제임스웹 우주망원경이 촬영한 초기 우주의 사진은 마치 너울이 몰아치듯 새로운 증거의 파도를 연이어 만들어내고 있다. 

연구논문의 공동저자인 카나리제도 천체물리학 연구소 과학자 마크 후어터스-컴퍼니(Marc Huertas-Company)는 
허블우주만원경의 데이터는 오랫동안 우주에 타원형 은하가 너무 많다는 사실을 보여주었다고 말했다. 

그래서 과학자들은 적외선 관측성능이 향상되면 더 자세한 모습을 볼 수 있지 않을까하는 의심을 품어왔다. 
하지만 후어터스-컴퍼니에 따르면 제임스웹 우주망원경 관측 결과는 허블우주망원경이 놓친 추가적인 구조는 없다는 것을 확정해 주었다고 한다. 
게다가 제임스웹 우주망원경은 훨씬 더 과거로 거슬러 올라간 우주에서도 길쭉한 형태의 은하가 많다는 것을 알려주고 있다. 

하지만 우리의 지식에는 아직 간극이 있다. 
과학자들은 제임스웹 우주망원경을 이용하여 훨씬 더 먼나먼 은하에 대한 충분한 정보와 정확한 위치를 포함한 더 많은 샘플을 필요로 할 뿐만 아니라 기존에 수립된 모델이 기하학적으로 좀더 정확한 정보를 반영할 수 있도록 검증하고 개선하기 위한 충분한 시간을 필요로 할 것이다. 
 
이번 연구논문의 공동저자인 콜비 칼리지 부교수 엘리자베스 맥그러스(Elizabeth McGrath)는 이번 논문은 첫 번째 결과일 뿐이라고 말했다. 
또한 그는 우주에서 벌어지는 일을 알아내기 위해 좀더 데이터를 들여다 볼 필요가 있긴 하지만 어쨌든 이러한 노력은 우리를 매우 즐겁게 만들고 있다고 소감을 전했다. 


출처 : 유럽우주국 제임스웹 우주망원경 공식사이트 2024년 1월 17일 뉴스