제임스 웹의 딥 필드는 너무나도 아름다웠다 – 2편

[JWST 발사부터 현재까지] (1) - 딥 필드 관련

“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, 위 사진이 어떤 의미가 있는지 또 앞으로 위 천체들에 대한 앞으로의 제임스 웹 계획은 어떠한지 알아본다. 제임스 웹의 첫 번째 이미지는 SCAMS 0723 은하단으로 제임스 웹 우주망원경의 첫 딥필드로 유명한 사진이다.

→ 1편에서 계속되는 기사입니다. (관련 기사 보기 – ‘제임스 웹의 딥 필드는 너무도 아름다웠다 1편’)

 

결과 해석 ④ : 중력 렌즈 효과

제임스 웹 우주망원경은 멀리 떨어져 있으며 46억 년 전에 나타난 은하단 SMACS 0723에 선명한 초점을 맞추고 있다. 수많은 성단과 그들이 펼쳐지는 모습이 포착되었고, 이전에 볼 수 없었던 우주의 작고 희미한 구조가 밝혀졌다. 이 은하단의 결합한 질량은 중력 렌즈 역할을 하며 그 뒤에 있는 훨씬 더 먼 은하를 확대해주고 있다.

중력 렌즈 효과를 보여주고 있는 제임스 웹 딥 필드 사진 ⓒ JWST/NASA, ESA, CSA

먼저 중력 렌즈 형성을 담당하는 은하는 어떤 은하일까? 바로 이미지 중앙에 밝은 흰색 타원 은하와 이미지 전체에 걸쳐 있는 더 작은 흰색 은하들이다.

은하단의 중력에 의해 함께 묶인 위 천체들은 그 뒤 훨씬 더 먼 거리에서 나타나는 은하의 빛을 구부리고 있다. 은하와 암흑 물질 등이 함께 결합한 질량은 거대한 우주 망원경처럼 작동하면서 개별 은하의 확대, 왜곡, 때로는 거울 효과(혹은 미러링이라고 표현: 같은 천체에서 나오는 빛이 중력 렌즈 효과에 의해서 여러 개의 반사된 이미지처럼 보임)를 보여 주곤 한다. 이 주변의 모든 은하가 거울효과를 보여주지는 않는다. 일부 은하는 늘어나거나 또 다른 은하들은 은하들과의 상호작용으로 흩어진 것처럼 보인다.

참고로 NASA의 표현에 따르면 퍼져 있는 모양을 띠고 있는 은하는 민들레 씨앗의 집합체처럼 보인다. 밝은 중앙 별의 회절 스파이크 하단 근처, 긴 주황색 호 부분 바로 오른쪽에 성단으로 인해서 얼룩덜룩한 모습을 띠는 은하를 관측할 수 있다.

길고 얇은 무당벌레같이 생긴 위 은하는 별 형성 집합소이다. 위 은하들은 매우 확대되어 있고 개별 성당들은 매우 선명하게 촬영되었다. 천문학자들은 이렇게 멀리 떨어진 은하에서는 지금까지 불가능했던 세부 연구가 진행될 수 있을 것이라고 기대를 모았다.

위 사진에서 가장 멀리 떨어져 있는 은하들, 즉 성단 뒤에 작은 은하들은 나선은하나 타원은하와 전혀 다른 모습을 띠고 있다. 그들은 훨씬 더 뭉툭한 모양을 띠고 있으며 심지어 불규칙한 모양을 띠고 있다.

이러한 천체들의 연구는 먼 은하에 있는 성단의 나이와 질량을 측정하는 데 도움이 될 수 있다. 이를 통해서 아직 나선 은하의 모습을 띠지 않고 있는 초기 우주 은하들의 정확한 모델을 예측할 수 있으며, 궁극적으로 초기 은하가 어떻게 형성되고 진화하는지 알 수 있을 것이다.

 

결과 해석 ⑤ : 중력 렌즈 효과를 통한 거울효과 확인

근적외선 분광기(NIRSpec)로 촬영한 방출 스펙트럼 결과 ⓒ JWST/NASA, ESA, CSA

위 사진은 은하단 SMACS 0723의 위 사진은 근적외선 이미지이다. 윗부분의 매우 밝은 별 오른쪽 아래에 있는 거대한 은하 그룹은 위 딥 필드의 많은 은하를 왜곡, 확대 혹은 거울효과를 보여주고 있다. 왼쪽의 아래에 하나의 호가 두 개의 유사한 모양의 은하로 구성될 수 있다는 점을 확인할 수 있다. 늘어진 외형임에도 불구하고 밝은 중앙 영역이 대부분 일치하기 때문이다. 혹은 같은 은하이지만 중력 렌즈 현상을 통해서 두 개로 보이는 것일 가능성도 있다. 하지만, 이미지를 통해서 직접적으로 우리가 확인할 수 있는 점은 많지 않다. 위 두 천체가 같은 천체인지 확인하려면 더 많은 연구가 뒷받침되어야 하기 때문이다.

천문학자들은 위 두 물체가 같은지 확인하기 위하여 위 두 천체의 스펙트럼을 수집하기 시작했다. 위 스펙트럼은 근적외선 이미저 및 슬릿 리스 분광기(NIRISS)를 통하여 관측되었는데 NRISS grism 이미지(프리즘, 격자 등이 있는 기기)의 중앙 부분은 이온화된 산소와 수소 원자 방출선이 호를 따라서 어떻게 분포되어 있는지 보여주고 있다.

두 은하의 스펙트럼을 오른쪽 그림과 같이 분석한 결과 위 두 스펙트럼이 일치하는 것을 볼 수 있다. 이는 두 천체가 같은 은하이며 거울상 이미지임을 나타내고 있다. 또한 적색 편이 현상을 통해서 두 은하의 빛이 93억 년 전에 방출되었다 사실이 증명되었다.

제임스 웹 팀은 이러한 분석은 보물상자를 여는 것과 같다고 표현하며 천문학자들이 의도하지 않더라도 모든 은하의 분석을 통하여 예측하지 못했던 발견을 할 수 있다고 덧붙였다.

 

결과 해석 ⑥ : 근적외선 분광기를 통한 131억 년 전 빛을 방출한 은하 관측(은하의 구성 성분을 통한 역사와 진화 파악)

제임스 웹 우주망원경의 가장 큰 목표는 우주에서 가장 오래된 은하를 찾는 것이다. 이에 성공하게 되면 천문학자들은 곧 은하의 질량, 나이, 역사 및 구성 등 대해서 더 많이 알게 될 것이고 인류는 우주의 출발점에 대해서 한층 더 깊게 다가갈 것이다.

스펙트럼에서 3개의 라인이 매번 같은 순서로 나타나는 것을 파악할 수 있다. 적색 편이 현상 분석을 통해 해당 은하가 얼마나 멀리 떨어져 있는지 알 수 있다. ⓒ JWST/NASA, ESA, CSA

위 사진은 근적외선 분광기(NIRSpec)의 한 부분인 마이크로셔터 어레이(microshutter array)에 의해서 포착된 방출 스펙트럼(Emission Spectrum: 열에너지나 빛 에너지를 받은 전자가 흥분하여 높은 에너지 준위로 올라갔다가 다시 에너지를 전자기파 형태로 방출하며 낮은 에너지로 전위할 때 보이는 스펙트럼)을 보여주고 있다.

참고로 마이크로셔터 어레이 등의 장비가 포함된 근적외선 분광기는 최대 약 150개의 개별 물체의 스펙트럼을 동시에 수집할 수 있는 248,000개 이상의 작은 문이 존재한다. 근적외선 분광기는 해상도가 매우 높고 매우 민감하여 우주 초기에 존재했던 개별 은하의 빛을 관찰할 수 있다.

제임스 웹 우주망원경의 놀라운 성능 때문에 우리는 이렇게 멀리 떨어진 은하의 스펙트럼을 관측할 수 있다. 구체적으로 SMACS 0723 은하단 뒤에 있는 수천 개의 먼 은하 중 48개의 은하를 동시에 관측했다. 천문학자들은 위 방출 스펙트럼을 확장하고 분석하여 은하에 존재하는 이온화된 가스의 화학적 구성, 온도 그리고 밀도까지도 알 수 있다.

은하의 방출 스펙트럼은 별이 어떻게 형성되고 있으면 얼마나 많은 먼지를 포함하고 있는지 혹은 여러 가스의 종류마저 파악할 수 있다. 천문학자들은 수많은 제임스 웹 데이터를 분석하기 시작했는데, 이를 통해서 우리는 우주의 전체 역사에 걸쳐 존재했던 은하에 대해서 알게 되며 얼마나 많은 은하가 있었는지도 파악할 수 있다.

예를 들면 스펙트럼에서 3개의 라인이 매번 같은 순서로 나타나는 것을 파악할 수 있다. 하나의 수소 라인과 두 개의 이온화된 산소 라인이 관측되는데 개별 은하들의 적색 편이(전자기파의 파장이 스펙트럼 상에서 표준 파장보다 장파장으로 이동하는 현상: 반대되는 현상으로 청색 편이가 있음)와 이러한 패턴들의 위치 변화를 파악하면 은하와의 거리를 알 수 있다.

즉, 먼 곳의 은하가 방출한 파장 그리고 제임스 웹의 우주망원경에 도달한 빛의 파장 비율은 당시의 우주와 현재 우주의 상대적 크기(척도 인자라고 부름)의 비율을 나타내는데, 이 척도 인자는 우주의 나이에 의해 결정되는 값이기 때문이다. 이를 통해서 결국 그 빛이 얼마나 오래전에 방출되었는지 확인할 수 있다.

적색 편이 현상 분석을 통해 해당 은하가 얼마나 멀리 떨어져 있는지 알 수 있다. 예를 들면 적색 편이 현상이 클수록 은하는 더 멀리 떨어져 있다. ⓒ JWST/NASA, ESA, CSA

이러한 비교 분석을 통해서 여러 원소들의 구성을 알게 되고 적색 편이 현상 분석을 통하여 아래 빨간 은하는 131억 년 전에 빛을 방출한 것으로 밝혀졌다.

적색 편이 현상 분석을 통하여 아래 빨간 은하는 131억 년 전에 빛을 방출한 것으로 파악되었다. ⓒ JWST/NASA, ESA, CSA

중요한 점은 천문학자들이 모든 은하를 분석한 점이 아니라는 점이다. 물론 위 사진 안에 131억 년보다 더 오래된 빛이 숨어있을 수도 있다. 위 사진에 더 오래된 빛이 없더라도 위 사진이 우주의 극히 작은 부분임을 생각하면 다른 사진에 그리고 또 다른 사진에 우주 초기의 빛이 숨어있을 가능성은 매우 높다고 할 수 있다. 제임스 웹 팀은 이를 ‘은하계 보물찾기’라고 표현한다.

이렇게 멀리 떨어진 은하의 화학적 지금까지 어떤 망원경으로도 해낸 적이 없는 실로 놀라운 발견이다. 천문학자들은 위 오래된 은하와 가까운 나선 은하, 타원 은하 등과 비교하며 이들의 성질을 비교 분석할 예정이다. 가까운 은하들은 다른 망원경으로도 매우 잘 분석될 수 있다. 얼마나 많은 망원경이 얼마나 많은 우주를 관측하느냐에 따른 시간문제일 뿐이다.

천문학자들이 제임스 웹의 스펙트럼을 모두 분석하게 되면 두 그룹의 은하를 비교하여 수십억 년 동안 우주가 어떻게 진화되었는지 알 수 있다. 즉, 초기 우주로 거슬러 올라가는 과거로의 여행이 가능한 것이다.

 

결과 해석 ⑦ : 같은 천체를 다른 파장으로 관측한 후 비교

ⓒ JWST/NASA, ESA, CSA

위 사진은 처음 공개 사진과 비슷하게 가시광선 색상으로 변환된, 하지만 우리 눈에는 보이지 않는 중적외선 파장(왼쪽)과 근적외선(오른쪽)으로 촬영한 같은 지역의 이미지를 비교해서 보여주고 있다. 역시 아래 컬러 글씨로 나열된 문자들은 빛을 수집할 때 사용된 중적외선 기기(MIRI)와 NIRCam 필터이다.

위 두 사진이 다른 이유는 근본적으로 다른 파장을 통해서 관측했기 때문이지만 두 기기는 기술적으로도 다르다. 예를 들어서 중적외선을 이용하는 MIRI는 별 형성에 없어서는 안 될 성분인 먼지가 있는 곳을 더 강조해준다. 하지만 별은 더 짧은 파장에서 밝게 빛나기에 NIRCam의 이미지에서는 회절 스파이크 이미지가 더 두드러지게 나타나게 된다.

먼저 오른쪽 사진에서 가장 크고 밝게 빛나고 있는 파란색 별을 살펴보자. 오른쪽 근적외선 사진에는 매우 긴 회절 스파이크가 있지만, 왼쪽의 중적외선 사진에서는 작은 점이 눈송이처럼 보다. 왼쪽 중적외선 이미지에서 작은 스파이크들이 있다면 위 천체는 별이다. 방출하는 파장과 사용된 필터에 따라서 별은 노란색 혹은 녹색으로 보이기도 한다. 만약 천체가 녹색이라면 이는 은하의 먼지에 탄화수소와 기타 화합물이 포함되어 있음을 나타낸다.

또한, 천체가 파란색인데 스파이크가 없다면 이는 은하를 나타낸다. 이런 은하는 물론 별을 포함하지만 먼지의 양은 매우 적을 가능성이 크다. 새로운 별을 형성하기 위해서 뭉쳐야 하는 가스와 먼지가 적다는 뜻인데, 이러한 은하의 별들은 보통 나이가 많다. 또한, 붉은 천체들은 두꺼운 먼지층으로 둘러싸여 있으며 멀리 떨어져 있는 은하일 가능성이 크다. 하지만 이들은 일부 별일 가능성도 있다. 따라서 왼쪽의 중적외선 이미지에서 이들을 완전히 구별하려면 후속 연구가 필요하다.

중력 렌즈 효과에 의해 늘어나고 확대된 은하인 은하단 중심의 두드러진 호는 중적외선 이미지에서는 파란색으로, 근적외선 이미지에서는 주황색으로 나타난다. 앞선 설명처럼 스펙트럼 분석을 통해서 위 은하들이 오래된 은하라는 점을 알 수 있지만, 왼쪽 이미지에서 파란색 천체는 더 오래되었고 먼지가 훨씬 더 적은 은하를 나타내고 있기에 이를 통해서도 위 은하들은 오래되었으며 먼지가 적은 은하라는 점을 알 수 있다.

두 이미지 모두에서 은하의 크기는 그들이 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 대한 단서를 제공해주고 있다. 물체가 작을수록 멀리 떨어져 있는데, 중적외선에서 가까운 은하는 하얀색을 띠고 있다. 제임스 웹팀은 중적외선 데이터와 모델링을 통해서 별과 은하에 있는 먼지의 양에 대해서 계산할 예정이며 시간에 따라서 은하가 어떻게 형성되고 진화하는지 이해할 계획이다.

 

“제임스 웹 우주망원경의 첫 관측 결과 해석” 시리즈 안내

딥 필드 관련 : 제임스 웹의 딥 필드는 너무나도 아름다웠다 – 1편
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은하계 관련 : 은하의 진화는 어떻게 진행될까 – 1편
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