용골자리 성운의 “우주 절벽”이 상세히 드러나다

과학기술

용골자리 성운의 “우주 절벽”이 상세히 드러나다
[JWST 발사부터 현재까지] (4) 성운, 산개성단, 그리고 별의 탄생 편

2022.08.12 09:00 김민재 리포터

“제임스 웹 우주망원경의 첫 관측 결과 해석” 시리즈는 사이언스타임즈 리포터이자 천문학자의 시선으로 바라보는 제임스 웹의 관측 결과 해석, 그리고 앞으로의 전망 등에 대해 설명하는 연재 코너입니다.

제임스 웹 우주망원경의 첫 관측 결과는 한국 시각으로 7월 12일 오후 11시 30분(미국 동부 표준시로 7월 12일 오전 10시 30분)에 NASA TV에서 실시간으로 공개되었다. 공개된 고해상도 이미지와 분광 스펙트럼은 총 5가지로, SCAMS 0723 은하단, 뜨거운 가스 외계 행성 WASP-96b(분광 스펙트럼), 남반구 고리 성운으로 알려진 NGC 3132 성운, 슈테팡의 오중주(Stephan’s Quintet), 그리고 용골 성운의 NGC 3324 가장자리 ‘우주 절벽’ 등이 있다. (관련 기사 보기 – ‘제임스 웹 우주망원경 첫 관측결과를 공개하다’)

제임스 웹 우주망원경의 관측 결과 해석 시리즈에서는 고해상도 이미지를 하나씩 파헤치며, 사진들이 어떤 의미를 가졌는지와 천체들에 대한 제임스 웹의 앞으로 계획은 어떠한지 알아본다. 제임스 웹의 네 번째 이미지는 매우 상세하게 촬영된 용골 성운의 “우주 절벽”이었으며, 이를 통해서 지금까지 볼 수 없었던 별 탄생 지역의 구체적인 구조를 파악할 수 있어서 큰 화제가 되었다.

성간 물질 그리고 성운이란?

성간 물질(interstellar matter)은 별과 별 사이 비어 있는 공간에 존재하는 물질들을 말한다. 위 공간은 진공이 아니며 여러 물질이 다양한 상으로 존재하는데, 보통 별의 평균 밀도에 비하면 매우 희박한 밀도를 이루고 있다. 성간 물질의 대부분은 성간 티끌(interstellar dust/grain)과 성간 기체(interstellar gas) 등으로 이루어져 있으며, 밀도와 온도에 따라서 분자구름 등 여러 가지 다른 형태로 구분된다. 따라서 성간 물질의 관측은 모든 파장으로 가능하다.

성간 물질은 은하계 내에 전체적으로 퍼져있는데, 이러한 물질이 어떠한 이유로 특정 공간에 상대적으로 높은 밀도로 모여 있는 것을 성운(Nebula)이라고 부른다. 즉, 성운은 별과 별 사이에 존재하는 티끌과 가스의 집합체를 말한다. 성운은 보통 매우 거대하며 몇몇 성운은 지름이 1,000광년이 넘는 크기를 자랑한다.

성운의 종류

성운은 성간 티끌과 기체 등으로 이루어져 있기에 본래대로라면 스스로 빛을 낼 수 없다. 하지만 여러 이유로 인해서 지구에서 관측할 수 있는데 보통 티끌과 가스가 어떻게 상호작용하느냐에 따라서 크게 세 가지로 나뉜다.

먼저 발광 성운(Emission Nebula)은 가스와 티끌이 주변 별들로부터 가열되어 전리된 수소 원자들이 재결합하며 빛을 내는 성운을 뜻하며, 오리온성운(Orion Nebula) 그리고 장미성운(Rosette Nebula), 용골자리 성운 등이 이에 해당한다. 이온화 에너지를 공급하는 들뜬 별은 보통 표면온도가 3만K 이상 되는 고온의 별이다. 대부분의 성운은 이에 해당한다.

오리온 성운 © NASA, ESA, M. Robberto

암흑 성운(Dark Nebula)은 스스로 빛나지 않지만, 지구에서 관측할 시 성운의 뒷배경으로부터 오는 밝은 별빛 또는 성운의 빛을 성운의 가스와 티끌이 가리며 어둡게 보이는 것을 성운을 뜻하며, 오리온자리의 말머리성운(Horsehead Nebula) 등이 이에 해당한다. 사실상 성간 물질들의 그림자로, 암흑 성운의 관측을 통해서 이 부근의 가스와 티끌의 밀도가 주변의 그것보다 높음을 알 수 있다.

말머리 성운 © Ken Crawford

마지막으로 반사 성운(Reflection Nebulae)은 가장 희귀한 형태의 성운으로 주변의 별이 내는 빛을 반사해서 자기 모습을 드러내는 성운을 말한다. 오리온자리의 마귀할멈 성운(Witch Head Nebula)이 이에 해당한다.

마귀할멈 성운 © NASA/STScI Digitized Sky Survey/Noel Carboni

용골자리 성운(Carina Nebula)

용골자리 성운(Carina Nebula, 혹은 용골자리 에타 성운 η Carinae Nebula, NGC 명칭: NGC 3372)은 지구로부터 약 7,600 광년(1광년은 9조 4,600억km) 거리에 있는 아주 복잡한 대규모 성운이다. 위 성운은 오리온성운보다 더 밝으며 더 큰 크기를 자랑한다. 하지만 지구 남반구에서 관측할 수 있는 성운으로, 그동안의 지구에서의 관측이 북반구에서 관측되는 천체들에 집중되는 바람에 상대적으로 덜 유명한 천체가 되었을 뿐, 천문학적으로 매우 의미가 있는 성운이다. 밝고 어두운 성운 그리고 여러 특이한 천체들이 모여있으며, 여러 주목할 만한 천문학적 현상이 일어나고 있기 때문이다. 또한 용골자리 성운은 우리은하에서 가장 밝은 곳이다.

용골자리 성운에서 가장 밝은 별인 용골자리 에타(η Carinae)는 300 만 년 정도 되는 젊은 별이지만 매우 밝은 극대거성이다. 위 별은 200여 년 전만 해도 지구에서 관측할 수 있는 가장 밝은 별이었는데, 최근에는 극적으로 어두워져 화제가 되었다. 이는 위 별이 태어날 때의 매우 무거웠던 질량 때문에 곧 초신성 폭발이 임박했기 때문으로 예측된다. 위 에타별뿐 아니라 성운 속 수많은 별이 초신성으로 진화할 것으로 보인다. 이처럼 천문학적으로도 매우 큰 의미를 지니고 있는 용골자리 성운의 관측을 위해 제임스 웹 우주망원경이 나섰다.

왼쪽부터 용골자리 성운, NGC 3324 산개 성단, 그리고 NGC 3324 산개 성단의 가장자리 “우주 절벽” © Hubble/NASA, ESA, JWST/NASA, ESA, CSA, STScI

용골자리 성운의 북서쪽 모서리에 있는
NGC 3324 산개 성단 가장자리 “우주 절벽” NIRCam 이미지

용골자리 성운의 북서쪽 모서리에 있는 NGC 3324 산개 성단 가장자리 “우주 절벽” NIRCam이미지© NASA, ESA, CSA, STScI

위 사진은 제임스 웹 우주망원경의 근적외선 카메라(NIRCam)로 촬영한 용골자리 성운의 이미지이다. 북쪽과 동쪽 나침반 화살표는 아래에서 볼 때 이미지의 방향을 보여주고 있으며, 위에서 볼 때의 방향은 화살표가 반전되어야 한다. 스케일 바는 빛이 1년 동안 이동하는 거리인 광년으로 표시되는데, 빛이 스케일 바의 길이만큼 이동하는 데 약 2년이 걸린다. 참고로 1광년은 9조 4,600억km(혹은 약 5조 8,800억 마일)와 같다. 이를 통해서 위 이미지에 표시된 천체의 크기는 약 12광년인 것을 알 수 있다.

위 이미지는 눈에 보이지 않는 근적외선 파장을 가시광선 색상으로 변환하여 보여주고 있다. 사진 아래 다른 색깔로 표시되며 나열된 문자들은 빛을 수집할 때 사용되었던 NIRCam 필터를 나타낸다. 각 필터 이름의 색상은 해당 필터를 통과하는 근적외선 및 중적외선을 나타내는 데 사용되는 가시광선의 색상이며 개별 노출의 합성물이다.

사진의 왼쪽 가장자리 지역은 NASA의 표현에 따르면 “달빛이 비치는 저녁에 험준한 산”처럼 보인다. 이는 젊은 별이 생성되는 NGC 3324 산개 성단(open cluster: 같은 분자구름에서 태어나 나이가 비슷한 수천 개의 항성이 모인 집단을 나타냄, 우리은하에만 1,000개가 넘는 산개 성단이 있음이 발견되었지만 실제로는 훨씬 많을 것으로 추측)의 가장자리이다.

적외선으로 포착된 이 이미지는 별 탄생 영역을 보여주고 있다. 참고로 NGC 3324는 1826년 제임스 던롭 박사(Dr. James Dunlop)에 의해 처음으로 관측 기록되었다. 위 지역은 이미 2008년 허블에 의해서 촬영된 바 있으며 마치 실제 절벽 같은 동적인 이미지에 천문학자들은 감탄을 금치 못했던 적이 있다. 하지만 제임스 웹의 촬영은 과거 허블 촬영과는 비교도 되지 않을 만큼 선명한 이미지를 보여주고 있다. 무엇보다도 인류 역사상 가장 민감한 NIRCam 근적외선 망원경 카메라로 촬영된 산개 성단 NGC 3324는 이전에 숨겨져 있던 수백 수천 개의 별과 수많은 배경 은하를 보여주고 있다.

“우주 절벽”이라고 불리는 이 우주 구름은 산개 성단 NGC 3324의 젊고 뜨거운 별에서 나오는 항성풍과 강렬한 항성 복사 자외선에 의해 만들어지고 있다. 별들의 고에너지는 성운의 벽을 천천히 침식하며 조각하고 있으며 이러한 천체 현상은 그야말로 장관을 만들어주고 있다.

먼저 산같이 생긴 부분에서 솟아오르는 것처럼 보이는 “증기 기둥” 부분은 실제로 뜨겁게 이온화된 가스와 강한 자외선으로 인해서 성운에서 흘러나오는 뜨거운 먼지를 나타낸다. 기둥 부분은 어린 별에서 나오는 강한 자외선을 차단해주고 있으며 새로 태어난 별의 강렬한 복사와 항성풍으로 인해서 위 절벽이 점점 침식되고 있음을 알 수 있다.

“산등성이”의 상단 중앙에서 먼지로 뒤덮인 초기별에서는 금색으로 보이는 초기별 제트와 유출물을 분출하고 있으며, 위 가스와 먼지는 성간 물질로 분출되고 있음이 확인되고 있다. NIRCam에서 촬영된 위 이미지는 마치 혜성의 모습같이 보인다. 또한, 위 사진에서 구부러진 실린더처럼 보이는 특이한 모양의 “아치”가 확인된다.

사실 초기의 별 형성 기간은 약 50,000~100,000년 동안만 지속되기 때문에 포착하기 쉽지 않다. 그러나 제임스 웹 우주망원경의 극도로 민감하고 정교한 공간 해상도는 이를 가능하게 만들어 주고 있다. (고해상도 이미지 보러 가기)

용골자리 성운의 북서쪽 모서리에 있는
NGC 3324 산개 성단 가장자리 “우주 절벽” NIRCam + MIRI 합성 이미지

용골자리 성운의 북서쪽 모서리에 있는 NGC 3324 산개 성단 가장자리 “우주 절벽” NIRCam + MIRI 합성 이미지 © NASA, ESA, CSA, STScI

위 사진은 제임스 웹 우주망원경의 근적외선 카메라(NIRCam) 및 중적외선 기기(MIRI)로 촬영한 용골자리 성운의 합성 이미지이다. 북쪽과 동쪽 나침반 화살표는 아래에서 볼 때 이미지의 방향을 보여주고 있으며, 위에서 볼 때의 방향은 화살표가 반전되어야 한다. 스케일 바는 빛이 1년 동안 이동하는 거리인 광년으로 표시되는데, 빛이 스케일 바의 길이만큼 이동하는 데 위의 이미지와 같이 약 2년이 걸린다.

위 이미지는 눈에 보이지 않는 근적외선 및 중적외선 파장을 가시광선 색상으로 변환하여 보여주고 있다. 사진 아래 다른 색깔로 표시되며 나열된 문자들은 빛을 수집할 때 사용되었던 NIRCam 및 MIRI 필터를 나타낸다. 각 필터 이름의 색상은 해당 필터를 통과하는 근적외선 및 중적외선을 나타내는 데 사용되는 가시광선의 색상이며 개별 노출의 합성물이다.

매우 선명한 해상도와 전례 없는 민감도를 갖춰 이전에 숨겨져 있던 수많은 별과 배경 은하를 드러내 주었던 NIRCam에 비해, MIRI의 눈으로 우주를 바라보면 젊은 별과 먼지가 많은 행성 형성 원반(planet-forming disks)이 밝게 빛난다. 이들은 분홍색과 빨간색으로 보인다. MIRI는 먼지에 묻혀 있는 구조를 밝히고 거대한 제트 그리고 강력한 방출 (outflow) 등을 통해서 별을 찾아낸다. 이를 통해서 초기 별의 관측이 한층 더 쉬워진다.

특히, NIRCam에서는 혜성같이 보이는 위 초기별의 제트와 방출이 MIRI를 이용하면 먼지에 둘러싸인 갓 태어난 별에서 유출된 원뿔형으로 보인다. 또한, MIRI를 이용하면 탄화수소 및 기타 화합물 등을 찾아낼 수 있다. MIRI 역시 산등성이의 상단 중앙에서 분출되는 성간물질을 잘 포착할 수 있는데, 이 현상의 원인이 되는 별을 둘러싼 먼지를 자세히 관찰할 수 있다. 위 이미지에서도 NIRCam의 이미지처럼 구부러진 실린더처럼 보이는 특이한 모양의 아치가 보인다. (고해상도 이미지 보러 가기)