제임스웹, 허블과 함께 중력 렌즈 효과를 관측하다

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제임스웹, 허블과 함께 중력 렌즈 효과를 관측하다
[JWST 발사부터 현재까지] VV 191 은하쌍의 자세한 관측

2022.10.11 09:00 김민재 리포터

제임스 웹 우주망원경과 허블 우주망원경은 최근 VV 191이라고 불리는 쌍은하(Galaxy pair)의 모습을 촬영하며 위 천체들의 아름다운 모습을 공개했다.

제임스 웹 우주망원경과 허블 우주망원경은 VV 191이라고 불리는 쌍은하(Galaxy pair)의 모습을 촬영했다. © Rogier Windhorst (ASU), William Keel (University of Alabama), Stuart Wyithe (University of Melbourne), JWST PEARLS Team, Alyssa Pagan (STScI), NASA, ESA, CSA

위 은하 쌍 VV 191의 이미지는 제임스 웹 우주망원경의 적외선 데이터와 허블 우주 망원경의 자외선 및 가시광선 데이터가 합성된 사진이다. 파란색은 허블 우주망원경이 보여주는 짧은 파장(자외선 및 가시광선) 그리고 빨간색은 제임스 웹 우주망원경이 관측한 긴 파장(적외선)을 이용한 관측을 나타낸다. 본 사진의 촬영을 위해서 허블 우주망원경의 F336W 및 F606W필터가 사용되었으며, 제임스 웹 우주망원경에서는 F356W, F150W, 그리고 F090W필터를 사용했다. (고해상도 사진 보러 가기)

제임스 웹 우주망원경은 나선은하(spiral galaxy)의 길고 먼지가 풍부한 나선팔을 훨씬 자세히 보여주고 있으며 왼쪽에 있는 밝은 흰색의 타원은하(elliptical galaxy) 중앙 팽대부(은하 중심부 빽빽하게 모인 별들의 군집을 뜻함)와 겹치는것 처처럼 보인다. 즉, 왼쪽의 타원 은하의 경계선 부분을 살펴보면 오른쪽 나선은하의 경계선과 살짝 겹쳐 보이는 것을 확인할 수 있다. 위 사진에서 공개된 두 개의 은하 즉, 왼쪽의 타원은하와 오른쪽의 나선은하는 가깝게 붙어있는 것처럼 보이지만 지구로부터의 거리는 매우 다르다. 두 은하 모두 지구로부터 상대적으로 가까운 거리에 위치해 있지만, 오른쪽의 나선은하가 지구로부터 더 가깝다. 따라서 두 은하는 충돌 등의 활발한 상호작용을 하고 있지 않으며 큰 관련이 없다. 이는 마치 별자리를 구성하는 여러 별이 지구로부터 관측하기에는 붙어 있는 것처럼 보이지만 대부분 지구로부터의 거리는 매우 다른 점과 비슷하다.

중력 렌즈 효과의 관측

제임스 웹팀은 이전까지 잘 알려지지 않았던 은하에서 적외선을 이용하여 처음으로 중력 렌즈 효과를 관측했다. 제임스 웹이 처음으로 공개한 딥필드 사진에서는 은하단 전체에 의한 중력렌즈 효과가 선명하게 공개되었는데(관련 기사 보러 가기 – “제임스 웹 우주망원경, 첫 관측 결과를 공개하다”), 이번에 공개된 사진에서는 은하 1개에 의한 중력 렌즈 효과를 볼 수 있다.

제임스 웹팀은 적외선 관측으로는 처음으로 이전까지 알려지지 않았던 은하에서 중력 렌즈 효과를 관측했다. © Rogier Windhorst (ASU), William Keel (University of Alabama), Stuart Wyithe (University of Melbourne), JWST PEARLS Team, Alyssa Pagan (STScI), NASA, ESA, CSA

제임스 웹 우주망원경은 매우 뒤틀린 모습의 은하를 포착하여 보여주고 있다. 왼쪽의 흰색 타원은하를 살펴보면 은하의 10시 방향에서 희미한 빨간색 호(arc)를 관측할 수 있다. 매우 먼 거리의 나선 은하에서 나오는 빛은 앞의 타원은하 중력에 의해서 휘어져 보이며 4시 방향의 빨간 점 역시 같은 나선 은하 성간먼지의 영향을 보여주고 있다.

중력 렌즈 효과를 보여주고 있는 위 은하의 이미지는 허블 우주망원경의 관측으로는 매우 희미해서 식별하기 힘들지만, 적외선에 전례 없는 민감도를 갖춘 제임스 웹 우주망원경에서는 이를 정확히 잡아내고 있다. 이러한 중력 렌즈 효과 관측은 은하의 중심부에 얼마나 많은 암흑물질이 있으며 얼마나 많은 별들이 큰 질량 및 중력을 구성하고 있는지 연구하는 데에도 큰 도움을 줄 수 있다. (고해상도 사진 보러 가기)

수많은 배경 은하들

제임스 웹 우주망원경은 허블 우주망원경보다 훨씬 더 짧은 노출시간에도 불구하고 언제나처럼 딥필드 같은 사진을 보여주고 있다. 특히, 이번 공개된 사진에서 주목할 만한 점은 여러 배경은하들이 흥미로운 모습으로 촬영되었다는 점이다. 예를 들어서, 왼쪽의 흰색 타원은하로부터 왼쪽 상단에 위치한 빨간색과 보라색을 띠고 있는 두 개의 은하가 눈에 띈다. 이들의 겉보기 크기는 비슷하지만, 매우 다른 색상으로 보인다. 아마도 하나는 매우 먼지가 많고 다른 하나는 매우 멀리 떨어져 있을 가능성이 높지만, 천문학자들은 더 자세한 연구를 위하여 이들의 스펙트럼을 분석할 예정이다.

우주를 구성하는 여러 물질 중 없어서는 안 될 먼지는 이들의 양과 상호작용 유무에 따라서 관측 사진에 보여지는 밝기와 색상 등을 크게 변화시킬 수 있다. 따라서, 은하 주변의 먼지 위치와 상호작용을 식별하는 것은 매우 중요하다. 천문학자들은 먼지 입자들이 새로운 별과 행성 형성에 매우 중요한 역할을 하므로 먼지의 관측과 분석을 항상 높은 우선순위에 놓고 관측과 분석을 진행한다.

시민 과학자들과의 협력

참고로 은하 먼지의 특성을 직접 비교할 수 있도록 도와주는 위 VV 191 은하 쌍은 최근 제임스 웹 우주망원경의 관측 목록에 추가되었다. 위 은하 쌍은 은하 동물원이라고 불리는(Galaxy Zoo) 시민 과학자들이 식별한 2,000개의 중첩 은하 쌍 중에서 최근 선택된 은하 쌍이다.

제임스 웹 우주망원경은 많은 천체를 다량으로 관측하기 위해서 제작된 Survey용 망원경이 아니다. 그럼에도 불구하고 역사상 가장 훌륭하고 민감한 제임스 웹 우주망원경의 관측 대상은 초기 우주, 외계 행성의 대기 등 여전히 매우 많다. 이런 점에서 살펴보면 위 촬영과 분석의 시작점이 되었던 시민 과학자들의 의미 있는 관측 대상 선정 등에 대한 공로는 적지 않다고 볼 수 있다.

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