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은하의 진화는 어떻게 진행될까 – 1편
[JWST 발사부터 현재까지] (5) 슈테팡의 오중주(Stephan’s Quintet)

2022.09.14 09:00 김민재 리포터

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 다섯 번째 이미지는 슈테팡의 오중주(Stephan’s Quintet)라고 불리는 5개의 은하가 모여있는 은하군으로, 이를 통해서 지금까지 볼 수 없었던 은하의 진화과정에 관한 힌트를 파악할 수 있어서 큰 화제가 되었다.

슈테팡의 5중주

1877년 프랑스의 천문학자 에두아르 슈테팡(Édouard Stephan)은 마르세유 천문대에서 페가수스자리(Pegasus)에 있는 은하군(NGC 7317, NGC 7318a, NGC 7318b, NGC 7319, 그리고 NGC 7320c)을 발견했다. 이후 이 은하군(Group of galaxies, 서로의 중력에 의해 속박된 50개 미만의 은하들로 구성된 무리)은 “슈테팡의 5중주 (Stephan’s Quintet)”라는 별명이 붙었고, Hickson Compact Group 92(HCG 92)로도 알려져 있다. 위 은하군은 적색편이가 790~6747 km/s 정도로 매우 심한 은하군이며 겉보기 등급은 +13.9에서 +16.7 정도이다.

왼쪽 부터 시계 방향으로 NGC 7320c 은하, NGC 7319 은하, NGC 7318b (UGC 12100)은하, NGC 7318a (UGC 12099) 은하, 그리고 NGC 7317 은하가 위치하고 있다. © NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team

허블 우주망원경으로 촬영된 위 사진만으로도 너무 아름답고 경이로운 우주의 모습을 볼 수 있다. 왼쪽부터 시계 방향으로 NGC 7320c 은하, NGC 7319 은하, NGC 7318b(UGC 12100) 은하, NGC 7318a(UGC 12099) 은하, 그리고 NGC 7317 은하가 위치하고 있으며, NGC 7317 은하와 NGC 7318a 은하는 타원 모양을 띤 타원은하(Elliptical galaxy)이며 나머지 은하들은 막대나선은하(Barred spiral galaxy)의 형태를 띠고 있다.

위 은하군의 재미있는 점은 5중주라는 별명이 붙었지만, 실제로 위 은하군에서 모여있는 은하는 4개(NGC 7317, NGC 7318a, NGC 7318b, NGC 7319)뿐이라는 점이다. 위 4개의 은하들은 약 2억 9천만 광년 떨어져 있다. 나머지 NGC 7320c 은하는 우연히 지구에서의 시선방향이 같아서 같이 있는 것처럼 보일 뿐이며, 지구에서 대략 4천만 광년 떨어져 있다.

위 은하단의 겉보기 크기는 달의 지름 1/5에 달할 정도로 크다. 또한, 위 은하군은 보통 수십억 광년 떨어진 다른 은하들과 비교하면 비교적 가까운 거리에 있다. 이들은 이러한 근접성으로 인해 은하 진화에 매우 중요한 은하의 병합과 상호 작용을 보다 자세히 연구할 수 있는 은하군이다. 이러한 상호 작용을 통해서 은하가 서로의 별 형성을 어떤 방식으로 촉발하는지, 그리고 가스가 어떤 식으로 교란되는지 등에 관한 자세한 관측을 수행할 수 있다. 따라서 천문학자들은 위 은하군을 은하 연구에 있어서 ‘환상적인 실험실’이라고 부르고 있다. 전례 없는 해상도를 갖추고 있는 제임스 웹 우주망원경으로 위 은하군을 관측하면 어떤 새로운 정보를 확인할 수 있을까?

중적외선으로 관측한 슈테팡의 5중주

아래 사진은 제임스 웹 우주망원경의 MIRI(중적외선 기기)로 촬영한 슈테팡의 5중주 이미지이다. 참고로 위 촬영에는 NGC 7317 은하가 포함되지 않았다. 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 자그마치 약 100,000년이 걸린다. 참고로 1광년은 9조 4,600억km(혹은 약 5조 8,800억 마일)와 같다. 이를 통해서 위 이미지에 표시된 천체의 크기는 (NGC 7317 은하가 포함되지 않았기에) 약 370,000광년이 정도임을 알 수 있다.

중적외선으로 관측한 슈테팡 5중주의 모습, 왼쪽 부터 시계 방향으로 NGC 7320c 은하, NGC 7319 은하, NGC 7318b 은하, 그리고 NGC 7318a 은하가 보인다. © JWST/NASA, ESA, CSA, STScI

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

근적외선과 중적외선으로 관측한 슈테팡의 5중주

아래 사진은 제임스 웹 우주망원경의 NIRCam(Near-InfraRed Camera, 근적외선 카메라)과 MIRI(Mid-InfraRed Instrument, 중적외선 기기)로 촬영한 슈테팡의 5중주 이미지이다. 참고로 위 촬영에는 NGC 7317 은하가 포함되어 슈테팡 5중주의 모습을 완벽하게 보여주고 있다. 역시 북쪽과 동쪽 나침반 화살표는 아래에서 볼 때 이미지의 방향을 보여주고 있으며, 스케일 바를 통해서 위 이미지에 표시된 천체의 크기는 약 62,000광년이 정도임을 알 수 있다.

왼쪽 부터 시계 방향으로 NGC 7320c 은하, NGC 7319 은하, NGC 7318b 은하, NGC 7318a 은하, 그리고 NGC 7317 은하가 보인다. © JWST/NASA, ESA, CSA, STScI

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 NIRCam과 MIRI 필터를 나타낸다. 각 필터 이름의 색상은 해당 필터를 통과하는 근적외선 및 중적외선을 나타내는 데 사용되는 가시광선의 색상이며 개별 노출의 합성물이다. 위 사진은 자그마치 1억 5천만 개 이상의 픽셀을 포함하고 있으며 1,000개가 넘는 개별 이미지 파일의 합성으로 완성된 이미지이다.

제임스 웹의 눈으로 본 위 은하군의 사진은 경이롭다 못해 섬뜩하기까지 하다. 은하군의 배경에 셀 수도 없을 만큼의 은하와 별들이 촬영되었으며 그동안의 어떤 우주 망원경으로도 볼 수 없었던 은하군 주변의 수많은 천체가 드러났다. 마치 허블의 딥 필드 (Deep Fields)를 연상시키는 수천 개의 천체 배경은 대중들로 하여금 탄성을 자아내기에 충분하다. 수백만 개의 어린 별들로 이루어진 밝은 성단과 새로운 별 탄생이 일어나고 있는 지역 등도 촬영되었으며, 은하군의 사진 역시 현재까지 촬영된 천체 사진 중 가장 선명한 모습을 보이고 있다.

위 사진에는 총 3개의 MIRI 필터 중 2개의 필터가 사용되었으며 이를 통해서 은하 내의 뜨거운 가스, 먼지 구조 및 은하 사이 충격파 그리고 이들의 상호작용 등이 잘 드러나고 있다. 특히, MIRI로 관측한 은하군의 모습에서 NGC 7318B 은하가 성단을 통과할 때 거대한 충격파가 포착되었는데, 이는 중심 은하 쌍을 둘러싸고 있으며 빨간색과 금색으로 보인다.

또한, NIRCam을 이용하여 관측한 은하군의 모습에서, 가장 왼쪽에 있고 우리에게서 가장 가까운 은하인 NGC 7320 은하에서 여러 별 뿐 아니라 은하의 밝은 핵까지 포착되었다. 특히, 늙고 죽어가는 별은 빨간색 점 같은 모습을 띠고 있다. (고해상도 사진 보러 가기)

→ 지면상 다음 편에서 계속됩니다. (관련 기사 보기 – ‘은하의 진화는 어떻게 진행될까 2편’)