제임스 웹, 더 멀고 오래된 은하를 관측하다

기획·칼럼

제임스 웹, 더 멀고 오래된 은하를 관측하다
[JWST 발사부터 현재까지] 빅뱅 이후 4억 년도 채 되지 않은 은하 발견

2023.01.13 09:00 김민재 리포터

제임스 웹, 더 멀고 오래된 우주를 관측하는 데 특화된 적외선 망원경

제임스 웹 우주망원경이 발사 후 첫 관측을 시작한 지도 벌써 6개월이 지난 현재, 새 결과들이 정신없이 쏟아지고 있다. 우리는 덕분에 아름답고 신비로운 우주를 계속 관측할 수 있음에 더 없이 눈이 즐거워지고 있다. 반면, 천문학자들에게 큰 이목을 끄는 결과 중 하나는 바로 제임스 웹 우주망원경이 얼마나 더 멀리 더 오랜 우주를 관측할 수 있느냐에 대한 질문이 해결되고 있다는 점이다.

초기 우주의 팽창으로 인해 거리가 멀어질수록, 우리로부터 멀어지는 속도가 빨라짐과 동시에 은하에서 방출되는 빛은 점점 긴 파장 쪽으로 이동하기에(“적색편이” 현상, z 값으로 표기), 우주 초창기의 은하들은 적외선을 통해서 관측하기 안성맞춤이다. 이는 전례 없이 민감한 적외선 망원경인 제임스 웹 우주망원경이 더 멀고 오래된 우주를 관측하는 데 특화된 망원경임을 의미한다.

JADES팀, 가장 오래된 은하를 관측하다

미국 캘리포니아 대학교 산타크루즈 캠퍼스 브랜트 로버트슨 교수(Prof. Brant Robertson)와 영국 허트포트 샤이어 대학교 엠마 커티스 레이크 박사(Dr. Emma Curtis-Lake)가 이끄는 국제 천문학자 팀은 JADES(JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) 프로그램의 일환으로 제임스 웹 우주망원경의 데이터를 이용하여 지금까지 확인된 가장 초기 은하들의 발견을 보고했다.

JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) 팀은 허블 우주망원경의 울트라 딥 필드 내부 및 주변 지역에 관심을 가지기 시작했다. ⓒ NASA, ESA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb), Leah Hustak (STScI), Brant Robertson (UC Santa Cruz), S. Tacchella (Cambridge), E. Curtis-Lake (UOH), S. Carniani (Scuola Normale Superiore), JADES Collaboration

이 은하들의 빛은 우리에게 도달하는 데 134억 년 이상 걸렸는데, 이때는 우주가 현재 나이의 2%에 불과했던 빅뱅 이후 4억 년 미만의 시간이다. 특히나 이러한 은하들이 분광관측으로 확인되었으며 매우 희미한 은하에서 나오는 빛의 특징적이고 독창적인 패턴을 통해서 나이를 알 수 있음은 매우 천문학적 큰 의미를 갖고 있다.

배경 이미지에서 파란색은 1.15 마이크로미터 (115W 필터사용), 녹색은 2.0 마이크로미터 (200W 필터사용), 빨간색은 4.44 마이크로미터(444W 필터사용)의 빛을 가시광선의 색깔로 나타냈음을 의미한다. JADES (Advanced Deep Extragalactic Survey) 팀은 허블 우주 망원경의 울트라 딥 필드 내부 및 주변 지역에 관심을 가지기 시작하며 근적외선 카메라(NIRCam)와 근적외선 스펙트럼 장비(NIRSpec)를 이용하여 서로 다른 적외선 파장 범위에서 딥 필드 내부를 자세히 관측했다. 오른쪽 사진에서 빨간색 직선이 라이먼 브레이크를 나타낸다. ⓒ NASA, ESA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb), Leah Hustak (STScI), Brant Robertson (UC Santa Cruz), S. Tacchella (Cambridge), E. Curtis-Lake (UOH), S. Carniani (Scuola Normale Superiore), JADES Collaboration

전세계 10개국 이상에서 80명 이상 천문학자들이 서로 협력하고 있는 JADES(JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) 팀은 허블 우주망원경의 울트라 딥 필드 내부 및 주변 지역에 관심을 가지기 시작했다. 모든 관측을 통틀어서 총 10일 이상이 소요되었으며 9가지 이상의 적외선 파장이 이용되었다.

위 관측 영역은 허블 우주망원경이 보여주었던 가장 깊고 오래된 적외선 이미지보다 15배나 크지만, 훨씬 더 선명하고 민감한 사진을 보여주고 있다. 위 영역은 100,000개 이상의 은하로 가득 차 있으며 대부분 수십억 년의 이상의 역사를 자랑하고 있다.

빅뱅 이후 4억 년도 채 되지 않은 은하의 발견

JADES 팀은 근적외선 카메라(NIRCam)를 통해서 “라이먼 브레이크(Lyman break)”로 알려진 Lyman alpha 임계 파장(0.1216 마이크로미터)에서 스펙트럼이 갑자기 뚝 끊기는 것처럼 보이는 희미한 은하들을 찾기 시작했다. 이후 근적외선 스펙트럼 장비(NIRSpec)를 이용하여 총 3일에 걸쳐 28시간 동안, 빛을 파장에 따라서 나누며 250개 이상의 희미한 은하의 스펙트럼을 수집했다. 이후 은하들의 스펙트럼이 얼마나 긴 파장쪽으로 이동했는지 (Lyman alpha 임계 파장이 얼마나 적색편이를 일으켰는지) 조사하여 정확한 적색편이 값을 얻었다.

0.1216 마이크로미터 파장의 라이먼 브레이크는 자외선 범위이기에 적당히 멀리 있는 은하라면 적당한 적색편이를 일으켜 지상 망원경의 가시광선 파장으로도 관측이 가능하다. 하지만 가시광선을 넘어 더 긴 적외선에서 위 현상이 관측된다면 위 은하가 극단적으로 멀리 있다는 의미이다. 제임스 웹 우주망원경은 이처럼 보다 먼 우주의 나이와 거리를 계산할 수 있는 과학적이면서도 매우 독특한 단서인 라이먼 브레이크 분석·비교를 통해 적색편이 값(z)이 13.20인, 즉 빅뱅 이후 4억 년도 채 되지 않은 은하를 발견하게 되었다.

참고로 적색편이 값이 13.20인 은하(c)와 12.63(d)인 은하들은 JADES 팀의 관측에 의해서 새롭게 발견된 은하이다. 적색편이 값 10.38 (e) 및 11.58(b)인 은하들은 예전 관측에서의 적색편이 예측을 다시 한번 확인시켜준 관측이다.

적색편이 값이 13.20인 은하와 12.63인 은하들은 JADES 팀의 관측에 의해서 새롭게 발견된 은하이다. 적색편이 값 10.38 및 11.58인 은하들은 예전 관측에서의 적색편이 예측을 다시 한번 확인시켜준 관측이다. ⓒ Robertson et al. 2023, NASA, ESA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb), Leah Hustak (STScI), Brant Robertson (UC Santa Cruz), S. Tacchella (Cambridge), E. Curtis-Lake (UOH), S. Carniani (Scuola Normale Superiore), JADES Collaboration

연구팀의 논문 공동 저자인 이탈리아 Scuola Normale Superiore의 스테파노 카르니아니 박사(Dr. Stefano Carniani)는 위 관측에 대해서 매우 멀리 떨어져 있는 위 은하들은 지금까지 촬영된 것 모든 관측 중 가장 희미한 적외선 스펙트럼이라고 설명하며 제임스 웹 우주망원경 덕분에 천문학자들이 가장 궁금해하던 사항 중 하나가 밝혀지고 있음을 기뻐했다. 연구를 이끈 로버트슨 교수는 놀라울 정도로 아름다운 관측을 보는 것만도 신기한데 이러한 관측에서 초기 은하를 찾을 수 있는 점은 매우 특별한 경험이라고 밝혔다.

앞으로가 더 기대된다

중요한 점은 위 은하들이 매우 어둡고 희미해서 보통의 망원경으로는 관측이 불가능했다는 점이다. 가까운 은하들이 여러 천문학적 현상으로 인해서 매우 오래된 은하처럼 보이는 경우가 많기 때문에 위 은하들이 실제로 초기 우주에 존재하고 있다는 점을 확인하는 것은 매우 중요하다. 또한, 이는 제임스 웹 우주망원경으로만 가능한 관측이다.

허블 우주망원경이 적색편이 11의 값을 보이는 GN-z11을 발견한 이후로, 제임스 웹 우주망원경은 계속해서 보다 큰 적색편이값을 가지는 은하를 연달아 발견하며 기록을 세우고 있다. 실제로 제임스 웹 우주망원경은 2022년 7월, 그리고 11월, 계속해서 가장 오래된 은하의 기록을 갈아치우며 새로운 관측을 보고한 바 있다. 그리고 이번 관측은 오래된 은하의 기록을 다시 한번 경신했다. (관련 기사 바로 가기 – “제임스 웹, 가장 오래된 은하를 관측하다”, “제임스 웹, 현재까지 가장 오래된 은하를 포착하다”)

별이나 은하들은 초기 조건이 앞으로의 일생에 매우 중요하기 때문에 은하의 초기 진화의 이해가 없이는 은하에 대해서 제대로 알기 어렵다. 제임스 웹이 없었다면 모두 불가능했을 은하의 역사 탐구이지만, 더 중요한 점은 이러한 연구들은 이제 겨우 초반이라는 점이다. JADES 팀은 2023년에도 허블 딥필드를 중심으로 위같은 연구를 계속 수행할 예정이며 많은 오래된 은하 후보에 대해서 하나씩 파헤칠 것을 예고했다.

과연 제임스 웹 우주망원경은 앞으로 얼마나 더 깊이, 그리고 더 오래된 은하를 관측하게 될까?

관련 논문 바로 가기 1 – “Discovery and properties of the earliest galaxies with confirmed distances”

관련 논문 바로 가기 2 – “Spectroscopy of four metal-poor galaxies beyond redshift ten”

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