January 21,2019

은하 형성이론 수정 불가피

암흑물질 없는 불가사의 은하 발견

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은하와 암흑물질(dark matter)은 가까이 붙어 있는 것으로 알려져 있다. 그래서 일반적으로 그 중 하나가 없으면 다른 것도 발견하지 못한다. 최근 허블 우주망원경 등을 통해 암흑물질이 거의 없는 불가사의한 은하가 발견돼 천문학자들 사이에서 이 은하가 어떻게 형성되었는지를 놓고 논란이 일고 있다.

암흑물질은 우주의 23%를 구성하고 있는 눈에 보이지 않는 물질로 중력을 통해서만 존재가 확인된다.

과학저널 ‘네이처’(Nature) 28일자에 발표된 이번 논문의 제1저자인 피터 밴 다컴(Pieter van Dokkum ) 미국 예일대 교수는 “눈에 보이지 않는 신비로운 암흑물질의 존재는 어떠한 은하에서든 가장 지배적인 양상이기 때문에 암흑물질이 없는 은하를 발견한 것은 전혀 뜻밖의 일”이라고 말했다.

그는 “수십년 동안 우리는 은하가 암흑물질 덩어리로부터 삶을 시작해 그 이후에 모든 것, 즉 암흑물질 후광으로 빠져나간 가스가 별들로 바뀌고 이 별들이 축적돼 우리 은하수와 같은 은하를 형성한다고 생각해 왔다”며, “이번에 발견된 은하(NGC1052-DF2)는 은하가 형성되는 이런 표준 아이디어에 도전장을 던진다”고 밝혔다.

사진 왼쪽의 새로 발견된 초확산(ultra-diffuse) 은하는 이 불가사의한 은하의 기원과 질량을 이해할 수 있는 열쇠를 쥐고 있는 많은 구상 성단을 거느리고 있다. 사진 오른쪽은 은하의 구상 성단 중 하나를 자세하 관찰한 모습. 이 성단은 전형적인 성단들보다 훨씬 밝으며, 우리 은하계 안에 있는 가장 밝은 구상 성단과 거의 같은 정도의 빛을 낸다. 켁 천문관측소에서 얻은 이 스펙트럼은 이 성단의 속도를 결정하는데 사용된 칼슘 흡수선을 나타낸다. 관찰된 10개 성단은 암흑물질이 결핍된 이 은하의 질량을 측정하는데 필요한 정보를 제공한다.  CREDIT: W. M. KECK OBSERVATORY/GEMINI OBSERVATORY/NSF/AURA/J. MILLER/J. POLLARD

사진 왼쪽의 새로 발견된 초확산(ultra-diffuse) 은하는 이 불가사의한 은하의 기원과 질량을 이해할 수 있는 열쇠를 쥐고 있는 많은 구상 성단을 거느리고 있다. 사진 오른쪽은 은하의 구상 성단 중 하나를 자세히 관찰한 모습. 이 성단은 전형적인 성단들보다 훨씬 밝으며, 우리 은하계 안에 있는 가장 밝은 구상 성단과 거의 같은 정도의 빛을 낸다. 켁 천문관측소에서 얻은 이 스펙트럼은 이 성단의 속도를 결정하는데 사용된 칼슘 흡수선을 나타낸다. 관찰된 10개 성단은 암흑물질이 결핍된 이 은하의 질량을 측정하는데 필요한 정보를 제공한다. CREDIT: W. M. KECK OBSERVATORY/GEMINI OBSERVATORY/NSF/AURA/J. MILLER/J. POLLARD

기존 은하 형성 이론으로 해석 안돼

이번 연구는 하와이 마우나케아에 있는 제미니 노스(Gemini North)와 켁 관측소(W. M. Keck Observatory), 허블 우주망원경 및 전세계의 여러 광학 관측자료를 통합 분석해 이루어졌다.

천문학자들은 이번에 발견된 NGC1052-DF2 은하의 큰 크기와 희미한 모습을 감안해 이를 2015년에 처음 발견된, 상대적으로 새로운 형태인 초-확산(ultra-diffuse) 은하로 분류한다. 이 맨눈으로 볼 수 있는 은하들은 놀랍게도 흔한 편이다. 하지만 지금까지 발견된 이런 형태의 어떠한 은하도 암흑물질이 이번 것처럼 부족하지는 않았다.

연구팀의 일원인 샤니 다니엘리(Shany Danieli) 예일대 대학원생은 “NGC1052-DF2는 이 별난 부류의 은하들 가운데서도 특이하다”고 말했다.

밴 다컴 교수팀은 이처럼 유령 같은 은하를 찾을 수 있도록 맞춤 설계된 뉴멕시코주 드래곤플라이 망원사진 군집(Dragonfly Telephoto Array)을 이용해 NGC1052-DF2을 처음 발견했다. NGC1052-DF2는 드래곤플라이 망원사진과 슬로언 디지털 천문관측(Sloan Digital Sky Survey: SDSS) 이미지를 비교하자 극명한 대조를 나타냈다. 드래곤플라이 이미지는 희미한 ‘얼룩 같은’ 물체를 보여주었으나 SDSS 자료는 상대적으로 밝은 점 같은 광원 무리를 나타냈다.

연구팀은 이런 불일치를 자세히 조사하기 위해 켁 관측소의 다중 객체 심화 이미징 분광기(DEIMOS)와 저해상도 이미징 분광계(LRIS)를 사용해 NGC1052-DF2 안에 있는 여러 밝은 광원의 빛을 자세히 분석했다. 그 결과 10개의 구상 성단을 확인할 수 있었다. 이 성단들은 은하 핵을 공전하는 크고 조밀한 별 그룹들이다.

켁 관측소 망원경에서 얻은 스펙트럼 데이터는 구상 성단들이 예상보다 훨씬 느리게 움직이는 것으로 나타났다. 시스템 안에 있는 물체들이 느리게 움직일수록 그 시스템 안의 질량은 작다. 은하의 모든 질량은 별들의 질량에 기인하는데, 연구팀의 계산에 따르면 NGC1052-DF2에는 암흑물질이 거의 없는 것으로 나타났다.

다컴 교수는 “암흑물질이 있다하더라도 아주 적은 양”이라며 “은하 안에 있는 별들로 모든 질량을 계산할 수 있는데, 아무리 살펴봐도 암흑물질을 할당할 여지가 없다”고 설명했다.

허블 우주망원경으로 약한 중력렌즈 효과를 측정하여 재구성한 암흑 물질의 대규모 분포에 대한 3D지도 CREDIT: Wikimedia Commons / NASA/ESA/Richard Massey

허블 우주망원경으로 약한 중력렌즈 효과를 측정하여 재구성한 암흑 물질의 대규모 분포에 대한 3D지도 CREDIT: Wikimedia Commons / NASA/ESA/Richard Massey

암흑물질 실제로 있으며, 은하 구성성분과는 별개로 존재”

장비에도 의심할 부분은 없다는 것. 그는 “정확한 속도를 측정하기 위해서는 큰 천체망원경이 필요하고, 켁 관측소는 이런 관측이 가능한 몇 안되는 곳 중의 하나”라고 말했다. 켁 관측소는 또 희미한 물제의 속도를 측정할 수 있는 세계 최고의 분광계를 보유하고 있다. 다컴 교수는 “불확실성 속에서 같은 결과가 나왔는지를 점검하고 확인하면서 우리가 틀리지 않았다는 확신을 얻게 되었다”고 밝혔다.

연구팀은 이 특이한 은하를 더욱 깊이 살펴보기 위해 제미니-노스의 다중물체 분광기(GMOS)를 사용해 NGC1052-DF2의 상세한 이미지를 캡처한 다음 구조를 평가하고 이 은하가 다른 은하계와 상호작용을 한 흔적이 없다는 사실을 확인했다.

다니엘리 연구원은 “제미니-노스의 이미지로 이 은하의 형태를 자세히 분석하지 않았으면 다른 데이터들에 대한 맥락을 잡지 못 했을 것”이라며, “제미니의 자료를 통해 NGC1052-DF2가 현재 다른 은하와 상호작용하지 않고 있다는 것을 확인하면 이 은하의 탄생 조건에 대한 해답을 찾는데 도움이 될 것”이라고 설명했다.

이번 연구 결과는 암흑물질이 은하와 분리될 수 있다는 것을 보여준다. 밴 다컴 교수는 “이번 발견은 암흑물질이 실제로 있으며, 다른 은하 구성 성분들과 별개로 존재한다는 사실을 나타낸다”고 말했다.

32인치 천체망원경으로 찍은 거대한 타원은하인 NGC 1052 사진. 이 은하가 NGC1052-DF2의 암흑물질 결핍에 어떤 영향을 주지 않았을까 추정되고 있기도 하다.  Credit Line and Copyright Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona

32인치 천체망원경으로 찍은 거대한 타원은하인 NGC 1052 사진(왼쪽). 이 은하가 NGC1052-DF2의 암흑물질 결핍에 어떤 영향을 주지 않았을까 추정되고 있기도 하다. Credit Line and Copyright Adam Block/Mount Lemmon SkyCenter/University of Arizona

유사한 ‘확산 은하’ 3개 조사 중

NGC1052-DF2의 구상 성단과 비정형 구조는 천문학자들이 이 은하가 어떤 조건 아래서 형성되었는지를 결정하는데 애를 먹이고 있다.

밴 다컴 교수는 “은하는 존재하는데 이것을 만들어내는 암흑물질 없이 별들의 후광과 구상 성단들만 있기 때문에 모든 것을 만들어내는 것을 잊어버린 격”이라고 지적했다. 그는 “이런 종류의 은하를 예견한 이론은 없다”며, “은하는 그에 관한 모든 것이 이상하듯 완전한 미스터리이고, 실제로 이러한 일들이 어떻게 형성되는지는 완전하게 알려지지 않았다”고 덧붙였다.

그럼에도 불구하고 연구팀은 몇 가지 아이디어를 가지고 있다. NGC1052-DF2는 거대한 타원 은하인 NGC1052가 지배하는 은하 집단에서 약 6500만 광년 떨어져 있다. 은하 형성은 격렬하고 난폭한데, 밴 다컴 교수는 수십억 년 전 새내기 거대한 은하가 성장하며 아마도 NGC1052-DF2의 암흑물질 결핍에 어떤 역할을 했을 것이라고 제안한다.

또다른 아이디어는 괴상한 은하 안에서 수많은 거대한 별들의 탄생과 같은 격변적인 사건이 모든 가스와 암흑물질을 휩쓸어버려 별의 형성을 멈추게 한다는 것이다. 그러나 이 같은 가능성들은 생각에만 그치는 것으로, 관찰된 은하들의 모든 특성을 설명해 주지는 못 한다고 연구팀은 말했다.

연구팀은 현재 ‘암흑물질 결핍 은하’들이 더 많이 있는지를 계속 추적하며, 허블 우주망원경으로 찍은 23개의 다른 확산 은하 이미지를 분석하고 있다. 이 중 세 개는 NGC1052-DF2와 유사한 점이 발견돼 밴 다컴 교수는 다음 달 켁 관측소에서 후속 연구를 진행할 계획이다.

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