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은하의 진화는 어떻게 진행될까 – 2편
[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 불리우는 5개의 은하가 모여있는 은하군으로, 이를 통해서 지금까지 볼 수 없었던 은하의 진화과정에 관한 힌트를 파악할 수 있어서 큰 화제가 되었다.

→ 1편에서 계속되는 기사입니다. (관련 기사 보기 – ‘은하의 진화는 어떻게 진행될까 1편’)

빽빽한 은하군

우주에서 가장 밝은 단일 천체 중 하나이며, 매우 활동적인 초대질량 블랙홀인 퀘이사(Quasar)는 먼 거리에서만 발견되고 있다. 이를 통해서 이들은 비교적 초창기 우주에서 탄생했음을 알 수 있다. 멀리 떨어진 천체일수록 빛이 우리 눈에 도달하는 시간이 오래 걸리며 보다 오래된 모습을 관측할 수 있기 때문이다.

최초로 발견된 퀘이사 3C 273 © ESA/Hubble

최근의 우주로 올수록 더 자세한 관측이 가능함에도 이러한 퀘이사는 오히려 낮은 빈도로 관측되며, 보다 최근의 우주에서는 퀘이사가 발견되지 않고 있다. 이를 통해서 우주 초기의 퀘이사들은 팽창하는 우주 환경의 변화로 더 이상 활동이 활발하지 못하다는 점을 예측할 수 있으며, 또한 현재 우주와 과거 우주 밀도의 차이가 매우 다름을 유추할 수 있다. 따라서 슈테팡의 5중주 은하군처럼 빽빽한 은하군은 퀘이사가 존재하던 초기 우주에서 더 흔하게 나타났을 가능성이 크다고 여겨지고 있다. 특히, NGC 7319 은하에는 400억 개의 태양에 해당하는 빛 에너지를 방출하고 있는 태양 질량의 2,400만 배에 달하는 초대질량 블랙홀이 존재하는 것으로 알려져 있다.

블랙홀 주변의 가스가 드러나다

MIRI기기를 구성하고 있는 분광기인 MRS(Medium-Resolution Spectrometer, 중해상도 분광계)는 NGC 7319 은하의 활성 은하핵을 자세히 관측하였다. 위 분광계는 카메라와 분광기로 이루어져 있는 통합 필드 장치 (IFU: integral field units) 기능을 지니고 있으며, “데이터 큐브(Data Cube)”라고 불리는 은하핵의 스펙트럼 특징 이미지를 상세히 보여주고 있다. 이는 마치 자기공명영상(MRI)과 마찬가지로 한가지 정보를 많은 이미지로 자르고 분해 (“slice and dice”) 할 수 있는 촬영이다. 천문학자들은 이를 통해서 공간 구조를 파악하고 해당 구조의 속도를 계산할 수 있다. 참고로 위 속도는 특정 방출선의 파장 이동에 의해서 측정된다.

블랙홀 주변 가스가 드러나다. © JWST/NASA, ESA, CSA, STScI

MRS는 이전까지 연구되지 않았던 파장으로 초대질량 블랙홀의 활성 은하핵 부근에서 강력한 바람과 블랙홀에 의해 이온화된 가스를 포착했다. 위 사진의 하단 부분에서 파란색 부분은 우리를 향해 다가오는 이온화된 가스의 움직임을 나타내며 주황색 부분은 관찰자로부터 멀어지는 이온화된 가스의 움직임을 보여주고 있다.

특히, 아르곤과 네온은 초거대 질량 블랙홀의 강력한 복사와 바람에 의해서 고도로 이온화되며 과열된 가스들이 뭉쳐있는 곳에서 발견되는 점을 알 수 있다. 또한, 분자 수소선을 통한 관측을 통해서 이들은 은하의 중심부 더 차갑고 밀도가 높은 가스들이 많은 곳에서 관측된다는 사실을 알 수 있다. (고해상도 이미지 보러 가기)

활동적인 블랙홀 근처의 가스 구성도

아래 사진은 NIRSpec(근적외선 분광기)으로 촬영한 NGC 7319 은하의 활성 은하핵 모습이다. 역시 카메라와 분광기의 조합 기기인 통합 필드 장치를 이용하여 데이터 큐브를 제공해주고 있으며 이를 통해서 활성 블랙홀 근처의 뜨거운 가스 구성을 알 수 있다. 참고로, 밝고 활동적인 핵 자체는 주변 가스의 구조를 더 잘 보여주기 위해 이 이미지에서 제거되었다.

활동적인 블랙홀의 가스 구성도 © JWST/NASA, ESA, CSA, STScI

위 사진에서는 NIRSpec에서 볼 수 있는 주요 방출선 중 일부를 보여주고 있으며, 이를 통해서 다양한 가스를 확인할 수 있다. 먼저 수소 원자는 파란색과 노란색으로 표시되어 있으며 이를 통해서 분출(outflow)의 구조를 추적할 수 있다. 또한, 청록색의 철 이온 관측을 통해서 뜨거운 가스가 있는 곳을 추적할 수 있으며 빨간색으로 표시된 차갑고 밀도가 높은 수소 분자 관측을 통해서 분출 가스와 블랙홀의 연료 저장소 부근을 추적할 수 있다. (고해상도 이미지 보러 가기)

활동적인 블랙홀의 가스 구성도 © JWST/NASA, ESA, CSA, STScI

NGC 7319 은하의 초거대 질량 블랙홀 근처 가스 구성성분을 자세하게 보여주고 있는 위 사진 역시 MRS를 통한 관측이다. 위 관측을 통하여 블랙홀 주변이 해변 모래와 비슷하지만, 훨씬 작은 입자인 규산염 먼지로 둘러싸여 있음을 알 수 있다. 또한, 블랙홀 상단(오른쪽 위 도표)은 철, 아르곤, 네온, 황 및 산소를 포함한 뜨겁고 이온화된 가스로 구성되어 있음을 보여주고 있다. 이온화 정도가 다른 동일한 원소의 여러 방출선을 연구하면 분출의 특성과 기원을 이해하는 데 큰 도움이 된다. 반면, 아래 스펙트럼(오른쪽 아래 도표)을 통해서 초거대 질량 블랙홀에 은하의 중심 영역에서 나오는 빛을 흡수하는 차갑고 밀도가 높은 분자 수소와 규산염이 풍부함을 알 수 있다. (고해상도 이미지 보러 가기)