October 16,2018

우주 초기 은하들은 어떤 모습?

130억년 전 소용돌이 치는 초기 은하 첫 발견

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천문학자들이 우주가 시작된 대폭발(빅뱅) 직후의 시간으로 거슬러 올라가 우주에서 형성된 초기 은하들에서 가스가 소용돌이 치는 모습을 전파망원경으로 처음 발견했다.

거의 130억년 전에 나타난 것으로 관측된 이 ‘신생아’들은 우리 은하와 비슷하게 소용돌이처럼 회전하는 것으로 확인됐다. 우주의 역사에서 이처럼 초기 시점에 은하의 움직임을 감지한 것은 이번이 처음이다.

영국 케임브리지대 카블리 우주론 연구소 렌스케 스미트(Renske Smit) 박사가 이끄는 국제연구팀은 칠레 아타카마 사막에 있는 전파망원경 군집(ALMA)를 이용해 멀리 떨어진 우주를 탐색한 끝에 우주 역사 매우 초기단계에서의 정상적인 별-형성 은하들의 모습을 처음으로 확인했다.

이 관측 결과는 과학저널 ‘네이처’(Nature) 최근호에 소개되는 한편, 제231차 미국 천문학회 학술대회에서 발표됐다.

소용돌이를 형성하고 있는 초기 은하 모습 일러스트.  CREDIT: Amanda Smith, University of Cambridge

소용돌이를 형성하고 있는 초기 은하 모습 일러스트. CREDIT: Amanda Smith, University of Cambridge

초기 은하는 가스연무로 인해 광학망원경으로 관찰 어려워

멀리 떨어져 있는 물체의 빛은 지구에 도달하는데 시간이 걸린다. 따라서 지구에서 수십 억 광년 떨어진 물체에서 나온 빛을 포착하면 곧 그 시간만큼 거슬러 올라가 가장 빠른 초기 은하계 형성을 직접 관찰할 수 있다. 그러나 당시 우주는 어둠침침한 중성 수소가스 ‘연무(haze)’로 가득 차 있어 눈으로 보는 광학 망원경으로는 최초의 은하들이 형성되는 모습을 관찰하기가 어려웠다.

스미트 박사팀은 전파망원경인 ALAM를 사용해 빅뱅 바로 8억년 직후에 존재한 두 개의 작은 신생 은하를 관찰했다. 연구팀은 ALAMA로 수집한 원적외선 스펙트럼 ‘지문’을 분석해 이 은하들까지의 거리를 산정할 수 있었고, 처음으로 이들 은하 성장의 원동력인 내부의 가스 운동을 확인했다.

논문 공저자로 케임브리지대 카벤디쉬 연구소 및 카블리 우주론 연구소 소속인 스테파노 카르니아니(Stefano Carniani) 박사는 “ALMA가 설치되기 전까지는 은하계 생성을 이렇게 자세히 관찰할 수 없었을 뿐만 아니라 이처럼 빠른 우주 역사 초기의 가스 운동을 측정할 수 없었다”고 말했다.

유럽과 미국, 캐나다 일본, 한국 등 세계 주요국들이 14억달러의 설치 자금을 출연해 칠레 북부 안데스 산맥 기슭 아타카마 사막 평원에 설치한 전파망원경 군집(The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array; ALAM). 66개의 안테나가 설치돼 있고, 0.32~3.6㎜파를 사용한다. 2013년 3월에 전면 가동됐다.   Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L. Calçada (ESO)/H. Heyer (ESO)/H. Zodet (ESO)

유럽과 미국, 캐나다 일본, 한국 등 세계 주요국들이 14억달러의 설치 자금을 출연해 칠레 북부 안데스 산맥 기슭 아타카마 사막 평원에 설치한 전파망원경 군집(The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array; ALAM). 66개의 안테나가 설치돼 있고, 0.32~3.6㎜파를 사용한다. 2013년 3월에 전면 가동됐다. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L. Calçada (ESO)/H. Heyer (ESO)/H. Zodet (ESO)

질서 유지하고 빠른 속도로 별 형성하며 성장

연구원들은 이 신생 은하에 있는 가스들이 소용돌이 운동을 하고 있었으며, 이 은하들이 우리가 속해 있는 은하계나, 우주 역사에서 이 신생 은하들보다 훨씬 나중에 생긴 다른 성숙한 은하들과 비슷하다는 사실을 발견했다. 이 은하들은 우리 은하계보다 크기가 5배 정도 작은 상대적으로 작은 크기임에도 다른 ‘젊은’ 은하들보다 더 빠른 속도로 별을 형성하고 있었다. 연구원들은 특히 이 은하들이 예상했던 것과 달리 혼돈스럽지 않다는 사실을 발견하고 놀랐다.

네덜란드 과학 연구기관(NOSR) 지원을 받는 케임브리지 루비콘 펠로우인 스미트 박사는 “초기 우주에서 중력으로 인해 가스가 은하들 속으로 급속하게 흘러들어가 은하를 휘젓고 수많은 새로운 별들을 형성했으며, 이 별들로부터의 격렬한 초신성 폭발 또한 가스를 소용돌이치게 만들었다”고 설명했다.

회전하는 은하의 비디오 시뮬레이션. 동영상 CREDIT: R. Crain (LJMU) and J. Geach (U.Herts)

회전하는 은하의 비디오 시뮬레이션. 동영상  CREDIT: R. Crain (LJMU) and J. Geach (U.Herts)

스미트 박사는 “생긴 지 오래 되지 않은 ‘젊은’ 은하들은 폭발하는 ‘젊은’ 별이 야기하는 큰 혼란으로 인해 동적으로 매우 혼잡스러울 것으로 예상했으나 의외로 질서를 유지하고 잘 조절이 되는 것으로 보였다”며, “작은 크기임에도 불구하고 오늘날 우리가 살고 있는 은하계와 같은 ‘성인’ 은하계의 하나로 급성장하고 있었다”고 말했다.

이 초기 은하 연구프로젝트의 자료들은 우주 생성 초기 10억년 동안에 나타난 은하들을 더 깊게 연구할 수 있는 토대가 될 것으로 보인다. 이 연구는 유럽연구위원회와 영국 과학기술설비위원회(STFC)로부터 일부 연구비를 지원받았다.

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