제임스 웹 우주망원경, 첫 관측 결과를 공개하다

[JWST 발사부터 현재까지][별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] 딥 필드, 외계 행성, 별의 죽음, 별의 탄생, 은하등 초고해상도 이미지 공개

관측 결과 공개 하루 전, SMACS 0723 은하단 컬러 사진 공개

제임스 웹 우주망원경(JWST: James Webb Space Telescope)의 첫 관측 결과가 공개되기 하루 전인 7월 11일 (미국 동부 표준시 기준), 미국 조 바이든 대통령과 미항공 우주국(NASA)은 지구에서 약 46억 광년 떨어져 있는 SMACS 0723 은하단의 이미지를 맛보기로 깜짝 공개했다. 흥미로운 점은 이번에 공개된 사진이 저번 주에 공개된 단색사진(관련 기사 바로 가기)과는 다르게 컬러 사진이라는 점이다.

컬러사진은 실제로 우리가 망원경을 통해서 관측하는 이미지와는 크게 다르다. 컬러 사진은 컬러 CCD 카메라나 필름을 이용하여 한 번에 촬영할 수도 있으며, 빛의 삼원색인 빨간색, 파란색, 그리고 녹색 파장에 민감한 필터들을 이용하여 각각의 사진을 찍은 후 합성하여 만들 수 있다. 대형 망원경으로 촬영하는 천체 사진들은 각 파장의 빛을 최대한 받아들이기 위해서 대부분 삼색 필터를 이용하고 있다.

SMACS 0723 은하단의 JWST 촬영 이미지 © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

본 사진의 일부 은하들은 찌그러져 보인다. 이는 천체에서 나오는 빛이 블랙홀과 같은 거대한 천체에 의해 휘어져 보이는 현상인 중력렌즈 효과(gravitational lens 혹은 gravitational lensing) 때문이다. 위 현상은 일반 상대성이론의 증거 중 하나이며, 다른 망원경을 통해서도 관측이 된 바 있다. 하지만 우주의 더 깊숙한 공간을 관측할 수 있는 제임스 웹 우주망원경은 훨씬 더 선명한 중력렌즈 효과를 보여주고 있다.

천체에서 나오는 빛이 블랙홀과 같은 거대한 천체에 의해 휘어져 보이는 현상인 중력렌즈 효과의 원리 © ESA

제임스웹 우주 망원경은 현재 인류가 개발한 망원경 중 가장 크고 강력한 성능을 자랑한다. 허블 우주 망원경과 비교했을시, 제임스 웹 우주망원경은 더욱 깊고 더 어두운 우주를 관측하기에 적합한 망원경이다.

SMACS 0723 은하단의 허블 우주망원경 (왼쪽) 제임스 웹 우주망원경 (오른쪽) 촬영 이미지 비교, 참고로 두 망원경의 관측 파장은 약간 다르다.  © Hubble/JWST/JPL/NASA

제임스웹 우주망원경의 공식적인 첫 관측 결과 공개

제임스 웹 우주망원경의 첫 관측 결과는 한국 시각으로 7월 12일 오후 11시 30분(미국 동부 표준시로 7월 12일 오전 10시 30분)에 NASA TV(관련 페이지 바로가기)에서 실시간으로 공개되었다.

본 행사에서는 딥 필드, 외계 행성, 별의 죽음, 별의 탄생, 은하 등 총 다섯 가지 최신 사진과 스펙트럼이 공개되었다. 위 사진은 본 행사의 진행을 담당한 미쉘 탈러 박사 (Dr. Michelle Thaller) © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

본 행사의 진행을 담당한 미쉘 탈러 박사와 JWST 선임 프로젝트 과학자 존 마터 박사 (Dr. John Mather) © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

공개된 고해상도 이미지는 총 5가지로, SCAMS 0723 은하단, 뜨거운 가스 외계 행성 WASP-96b (스펙트럼 공개), 남반구 고리 성운으로 알려진 NGC 3132 성운, 슈테팡의 오중주(Stephan’s Quintet), 그리고 용골 성운의 NGC 3324 가장자리 ‘우주 절벽’ 등이 있다.

본 행사에서는 딥 필드, 외계 행성, 별의 죽음, 별의 탄생, 은하등 총 다섯가지 최신 사진과 스펙트럼이 공개되었다. © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

1. 제임스 웹의 첫 “딥 필드” 사진 공개

제임스 웹 우주망원경이 첫 번째 공개한 이미지는 공식 관측 결과 공개 하루 전 미국 조 바이든 대통령이 공개한 사진인 SMACS 0723 은하단이었다. 참고로 SMACS 0723 은하단은 남쪽 하늘 날치(Volans)자리 근처에서 관측할 수 있다.

2003년, 제임스 웹 우주망원경의 선배인 허블 우주 망원경은 남쪽에 아무것도 없는 까맣고 텅 빈 하늘을 바라보기 시작했다. 허블은 지구 주변을 400바퀴 가까이 돌며 800여 번에 걸쳐 한 장소를 촬영했고 아무것도 없어 보이던 암흑 속에서 1만 개가 넘는 은하들이 포착되었다. 이를 허블 울트라 딥 필드(HUDF: Hubble Ultra Deep Field)라고 부르는데, 제임스 웹 우주망원경도 허블 망원경처럼 은하들 사이의 공간을 촬영했다. 제임스 웹의 첫 “딥 필드” 사진으로 기록된 위 사진은 지금까지 촬영된 먼 우주 사진 중 가장 깊고 선명한 적외선 이미지를 보여주고 있다.

제임스 웹 우주망원경의 첫 이미지 공개, SMACS 0723 은하단의 MIRI 촬영 이미지 (왼쪽) 그리고 NIRCam 촬영 이미지 (오른쪽) © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

본 사진에는 작고 희미한 천체를 포함하여 수천 개의 은하로 가득 차 있다. 은하단의 수많은 천체가 결합한 무거운 질량은 중력 렌즈 역할을 하고 있으며 우주 나이가 10억 년 미만일 때 관찰된 일부 은하를 포함하여 멀고 희미한 은하들까지 매우 상세하게 보여주고 있다. SMACS 0723 은하단 앞과 뒤에 존재하는 수많은 은하를 촬영한 제임스 웹은 근처의 수많은 별 (별은 더 짧은 파장에서 더 밝게 보이기 때문에 눈에 띄는 ‘회절 스파이크’와 함께 촬영)도 함께 촬영했다.

제임스 웹의 근적외선 카메라(NIRCam: 보다 멀리 떨어진 은하 관측)와 중적외선 도구(MIRI: 딥 필드 관측)로 촬영된 위 딥 필드 이미지는 총 12.5시간 동안 촬영 되었으며 다양한 파장의 이미지로 구성된 합성 사진이다. 허블 우주망원경도 충분히 놀라운 모습을 보여주고 있지만, 딥 필드 촬영을 위해서는 최소 몇 주가 소요되는 점을 생각하면 제임스 웹 우주망원경의 놀라운 능력을 실감할 수 있다. 하루 반나절이면 촬영되는 위 사진을 생각해보면 위 사진은 이제 또 다른 어두운 우주를 밝히는 시작일 뿐이다.

제임스 웹의 첫 딥 필드 사진에 관해서 공개한 제인 릭비 박사 (Dr. Jane Rigby) © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

먼지는 별의 형성에 필수적인 요소이기에 매우 중요한 천문학적 관측 요소이다. 제임스 웹 우주망원경의 MIRI는 수많은 은하 중 먼지가 있는 곳을 알려준다. 예를 들면, 청색 은하는 별을 포함하지만 먼지의 양은 매우 적다. 붉은 천체들은 두꺼운 먼지층에 싸여 있는 천체들이며 녹색 은하는 탄화수소 및 기타 화합물로 구성된 천체를 나타낸다. 천문학자들은 이러한 데이터들을 사용하여 은하가 어떻게 형성되며, 성장하고 병합되는지 그리고 어떤 경우에 은하에서 별의 형성이 일어나지 않는지 등에 관해서 자세히 이해할 계획이다. 또한 여러 은하들의 수많은 사진, 자료, 그리고 스펙트럼 등을 분석하며 은하의 질량, 나이, 역사, 및 구성 등에 관해서도 연구할 계획이다.

제임스 웹은 근적외선 분광기(NIRSpec)를 이용하여 멀리 떨어진 은하들에 관해서 물리 및 화학적인 정보를 얻었다. © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

제임스 웹 우주망원경 팀은 위 이미지 외에 근적외선 분광기(NIRSpec)를 이용하여 촬영한 스펙트럼도 공개했다. 멀리 떨어진 은하들에 관해서 물리 및 화학적인 정보를 얻기에 용이한 스펙트럼을 이용하면 은하들의 역사와 진화 과정 등을 파악할 수 있다. 제임스 웹은 48개의 개별 은하를 동시에 관측할 수 있으며 이는 우주에서 처음 사용된 기술이다. 위 기법을 이용하면 각 은하에 대한 전체 세부 정보를 한꺼번에 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또한 제임스 웹 우주망원경 팀은 근적외선 이미지와 슬릿리스 분광기(NIRISS)를 이용하여 전체 시야에 있는 모든 물체의 스펙트럼도 한꺼번에 촬영한 바 있다.

2. 제임스 웹, 먼 행성의 대기에서 물을 발견하다

제임스 웹 우주망원경에게 무려 1,000광년 이상 떨어진 행성의 대기를 분석하는 일은 놀랄만한 일이 아니다. 제임스 웹 우주망원경의 거대한 주경(거울)과 매우 정밀한 기기들을 이용하면 외계 행성의 대기에서 상세한 스펙트럼을 포착할 수 있기 때문이다. 그리고 제임스 웹 우주망원경은 첫 번째 외계 행성 대기 관측에서 명확한 물, 수증기의 증거를 찾아냈다. 특히, 수증기의 관측은 예측하지 않았던 결과로, 이를 통해서 제임스 웹의 외계 행성 연구는 이전과 판이할 것임을 예고했다.

제임스 웹, 먼 행성의 대기에서 물을 발견하다. © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

제임스 웹 우주망원경 팀은 극도로 민감하고 예민한 촬영기와 분광기인 NIRCam과 NIRISS를 이용하여 뜨거운 외계 가스 행성 WASP-96 b이 모항성을 지나갈 때 6.4시간 동안 스펙트럼을 촬영했다. 횡단법(Transit)으로 알려진 위 방법은 외계 행성이 모항성을 지나갈 때 모항성의 밝기가 약간 감소함을 이용하여 행성이 있음을 예측하고 이를 통하여 행성 내에 특정 분자들의 존재를 알 수 있게 된다. 본 관측은 지금까지 관측된 행성의 촬영 중 가장 상세히 관측된 것으로 행성의 대기를 자세히 분석할 수 있는 제임스 웹의 능력을 보여주고 있다.

천문학자들은 위 스펙트럼을 이용하여 대기 중 수증기량을 측정하고 탄소나 산소와 같은 다양한 원소의 풍부 정도를 정확히 조사할 전망이다. 이를 통하여 대기의 보다 정확한 온도를 예측할 수 있으며 행성의 구성이나 형성 역사, 그리고 시기 등에 관해서 알아낼 전망이다.

본 관측에 이용된 횡단법의 원리 © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

WASP-96 b 행성은 우리은하에서 확인된 5,000개 이상의 외계행성 중 하나일 뿐이다. 남쪽 하늘 피닉스 별자리에서 약 1,150광년 떨어진 곳에 위치한 WASP-96 b 행성의 모항성은 우리 태양과 직접적인 유사점은 없다. WASP-96 b 행성은 질량이 목성의 절반 미만이지만, 크기는 1.2배 더 크기에 우리 태양계의 어떤 행성보다도 큰 크기를 자랑하고 있다. 또한 WASP-96 b는 수성과 태양 사이 거리의 9분의 1에 불과한 거리에서 모항성을 공전하고 있으므로 매우 뜨거운 온도 (섭씨 538도 정도)를 자랑한다.

외계 행성의 대기에 관한 제임스 웹 연구를 설명한 니콜 콜론 박사 (Dr. Knicole Colón) © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

흥미로운 점은 제임스 웹 우주망원경이 처음 계획될 때만 해도 외계 행성 관측이 주된 목표가 아니었다는 점이다. 하지만 최근 외계행성에 관한 대중의 높아진 관심 그리고 호기심 덕분에 현재는 가장 중요한 목표 중 하나가 되었다.

3. 제임스 웹, 별의 죽음을 관측하다

별의 일생은 사람의 일생과 매우 닮아있다. 인간의 탄생과 같이 별들도 일정 조건이 충족되면 그들의 일생이 시작된다. 그리고 태어날때의 환경(초기질량), 그리고 주변의 환경(주변 천체의 유무)에 따라 서로 다른 진화과정을 보이게 된다. 사람의 일생과 별의 일생에는 또 하나의 공통점이 있다. 바로 모든 사람과 별은 죽는다는 점이다. 별이 사람과 다른 점이라면, 별은 태어날 때 그리고 죽을때 매우 멋진 모습을 보인다는 점을 들 수 있다.

제임스 웹, 별의 죽음을 관측하다. NIRCam을 이용하여 촬영한 이미지 © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

태양과 같이 질량이 무겁지 않은 별은 행성상 성운 혹은 백색왜성으로 생을 마감하게 된다. 이 중 행성상 성운은 적색거성이 자신의 생명을 다하면서 진화하는 천체이다. 헬륨 핵융합으로 발생한 막대한 중력에 대항하는 복사압으로 인하여 거대한 크기로 팽창한 적색 거성의 외피 층은 수만 년에 걸쳐서 우주 공간으로 날아가 버리게 된다. 이때 별은 질량의 대부분을 잃게 되며 날아간 외피 층은 행성상 성운을 이루게 되는데, 위 모습 행성의 고리 혹은 행성과 비슷한 모양을 띤다고 해서 행성상 성운이라는 이름이 붙었다. 물론 위 천체는 행성의 유무와 아무 관련이 없다.

행성상 성운의 중심부는 점점 수축하며 백색왜성으로 진화하며 중심부에서는 매우 높은 온도를 자랑하는 이온화된 가스들이 방출된다. 이 때문에 중심부 주변의 먼지와 분자 구름은 중심 별에 의해서 수시로 변화된다.

제임스 웹, 별의 죽음을 관측하다. MIRI를 이용하여 촬영한 이미지 © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

제임스 웹 우주망원경은 이러한 별들이 먼지로 덮여 있음을 처음 밝혀냈다. 제임스 웹 우주망원경에 탑재된 NIRCam과 MIRI는 약 2,500광년 떨어진 ‘남반구 고리 성운 (Southern Ring Nebula)’으로 알려진NGC 3132 성운을 관측했다. 위 관측을 통해서 죽어가는 별들이 내뿜는 가스와 먼지구름에 관해서 더 자세히 연구할 수 있다. 예를 들면, 위 가스와 먼지구름에 어떤 분자가 존재하며 가스와 먼지구름 전체에 걸쳐서 분자의 다양성과 위치 등을 이해하면 별의 진화에 관해서 한 걸음 더 다가갈 수 있다. 이를 통해서 제임스 웹 우주망원경의 또 다른 잠재력을 확인할 수 있다.

참고로, NIRCam과 MIRI는 서로 다른 파장의 빛에 반응하기 때문에 두 이미지는 매우 다르게 보인다. NIRCam은 가시광선 파장에 더 가까운 근적외선을 이용하여 관찰하고 MIRI는 중적외선 파장을 포착한다.

4. 제임스 웹, 별의 탄생을 관측하다

제임스 웹 우주망원경은 별의 탄생도 관측했다. 제임스 웹 우주망원경은 얼핏 보면 3차원으로 보이며 “우주 절벽 (Cosmic Cliffs)”이라고 불리는 용골 성운 (Carina nebula) 북서쪽 모서리에 있는 NGC 3324 성단의 가장자리를 촬영했다. NGC 3324는 지구로부터 약 7,600광년 떨어져 있으며 위 우주 절벽 영역의 일부 기둥은 길이가 약 7광년이나 된다. 위 지역은 새롭고 어린 별들로 가득 차 있기에 항성 요람 영역(stellar nurseries) 지역이라고 불린다. 위 지역은 실제로 뜨겁게 이온화된 가스와 끊임없는 복사로 인해 성운에서 흘러나오는 뜨거운 먼지로 이루어져 있으며, 매우 무겁고 뜨거운 어린 별들은 강렬한 자외선과 항성풍을 내뿜고 있다. 이러한 강렬한 자외선은 위 “절벽”을 천천히 침식시키고 있다.

제임스 웹, 별의 탄생을 관측하다. NIRCam과 MIRI를 이용하여 촬영한 이미지 © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

극도로 민감한 제임스 웹 우주망원경이 적외선으로 포착한 위 이미지는 이전에는 볼 수 없었던 별 탄생의 영역을 처음으로 드러내 주고 있다. 이를 통해서 별이 어떻게 형성되는지에 대한 새로운 정보를 가져다줄 수 있으리라 기대된다. 제임스 웹 우주 망원경은 원시별에서 뿜는 제트도 자세히 관측했으며 극도로 높은 민감도와 공간 해상도 및 이미징 능력을 통해서 어둡고 먼지가 많은 영역을 위주로 촬영하고 있다.

제임스 웹, 별의 탄생을 관측하다. NIRCam을 이용하여 촬영한 이미지 © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

물론 매우 뜨겁고 강렬한 위 지역에서는 새로운 별들이 탄생할 확률도 매우 높지만, 오히려 이러한 교란으로 인해서 별 형성이 방해될 수도 있다. 이처럼 별의 형성은 생성과 정지 사이의 매우 섬세한 균형이 맞아야 한다. 제임스 웹 우주망원경은 특정 지역에서 형성되는 별의 수를 결정하는 요인이 무엇인지 정확하게 파악하고자 한다. 또한 별이 왜 특정 질량으로만 형성이 되는지 알기 위해서 거대한 가스와 먼지구름의 진화에 관한 별 형성 영향을 조사할 예정이다. 특히 질량이 낮은 별 형성 영향에 관해서 집중적으로 연구할 예정이다. 질량이 낮은 별들은 우주에 상대적으로 많이 존재하기 때문에 이러한 연구는 천문학의 오래된 질문들에 대답해줄 수 있으리라 기대된다. 이를 통해서 여러 변수의 전반적인 상관관계 및 통계도 얻을 수 있다.

5. 제임스 웹, 은하의 진화 그리고 블랙홀에 초점을 맞추다

1877년 프랑스의 천문학자 에두아르 슈테팡(Édouard Stephan)은 마르세유 천문대에서 페가수스 자리에서 Hickson Compact Group 92(HCG 92)로 알려진 은하군(NGC 7317, NGC 7318a, NGC 7318b, NGC 7319, NGC 7320c)을 발견했다. 이후, 위 은하군은 “슈테팡의 5중주 (Stephan’s Quintet)”라는 별명이 붙었지만, 실제로 모여있는 은하는 4개이다. 위 구성원 중 NGC 7320c는 우연히 지구에서의 시선방향이 같을 뿐이기 때문이다. NGC 7320c은 지구에서 4천만 광년 떨어져 있고, 다른 4개의 은하(NGC 7317, NGC 7318a, NGC 7318b, NGC 7319)는 약 2억 9천만 광년 떨어져 있다.

NIRCam과 MIRI를 이용하여 촬영한 슈테팡의 5중주 은하군, 왼쪽 부터 시계 방향으로 NGC 7320c,  NGC 7319, NGC 7318b (UGC 12100), NGC 7318a (UGC 12099), 그리고 NGC 7317  © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

슈테팡의 5중주가 유명한 이유는 대단히 멋진 장관을 보여주고 있기 때문이다. 하지만 천문학자들은 이를 통해서 은하계의 합병 및 상호작용을 배울 수 있다. 또한 수십억 광년 떨어진 은하들과 비교하면 비교적 가까운 거리에 있기에 보다 자세한 관측과 연구가 가능하다는 이점이 있다. 이를 통해서 은하가 별 형성을 어떻게 촉진하는지, 혹은 가스가 어떻게 방해받고 있는지 등을 연구 할 수 있다. 이처럼 위 은하군을 통해서 모든 은하에 기본이 되는 여러 천문학적 현상을 비교적 자세히 관측할 수 있기에 슈테팡의 5중주는 “환상적인 실험실”로 불리고 있다.

MIRI를 이용하여 촬영한 슈테팡의 5중주 은하군, 왼쪽 부터 시계 방향으로 NGC 7320c,  NGC 7319, NGC 7318b (UGC 12100), 그리고 NGC 7318a (UGC 12099), 위 촬영에는 NGC 7317가 포함되지 않았다. © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

제임스 웹 우주망원경은 NIRSpec과 MIRI를 이용하여 이전까지 볼 수 없었던 세부 사항들을 보여주고 있다. 위 이미지는 현재까지 공개된 제임스 웹 우주망원경의 이미지 중 가장 크며, 은하단의 겉보기 크기는 대략 달 지름의 1/5수준에 달할 정도로 크다. 촬영 사진은 1억 5천만 개 이상의 픽셀을 포함하고 있으며 약 1,000개가 넘는 개별 이미지 파일의 합성물이다. 강력한 적외선 시야 그리고 극도로 높은 공간 해상도로 이루어진 위 사진은 수백만 개의 어린 별들로 이루어진 성단과 새로운 별 탄생의 항성 폭발 영역을 포함하고 있다. 가스, 먼지 및 별의 꼬리가 중력 상호 작용으로 인해서 여러 은하에 영향을 받고 있으며 NGC 7318b가 성단을 뚫고 나올 때 거대한 충격파도 포착되었다.

제임스 웹 우주망원경 팀이 초대 질량 블랙홀 주변의 가스의 구성성분을 분광기를 이용하여 촬영한 스펙트럼 © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

제임스 웹 우주망원경 팀은 은하계의 상호작용이 초기 우주에서 어떠한 영향을 끼쳤는지, 그리고 은하단 중 NGC 7319에 있는 초대 질량 블랙홀(태양 질량의 2,400만 배)에 의한 영향을 자세히 연구할 전망이다. 이처럼 빽빽한 은하군은 초기 우주에서 더 흔하게 나타났을 가능성이 크다.

또한 MIRI와 함께 NIRCam를 이용하여 상세한 적외선 이미지를 촬영할 예정이다. 이를 통해서 초대 질량 블랙홀의 성장 속도를 이해하는 데 큰 도움이 될 수 있으며 별이 생성되는 지역에서의 먼지를 보다 자세히 알 수 있다.

제임스 웹 우주망원경은 이제부터 시작이다

제임스 웹 우주망원경은 이미 전례 없는 결과를 보여주고 있다. 매우 민감한 근적외선 감도, 초고해상도 이미지 처리 및 분광 능력은 이미 우리 눈에 보이지 않는 우주 일부를 드러내 주고 있다. 먼지구름 사이의 별, 다른 태양계의 물, 그리고 깊은 우주까지 놀라울 정도로 완벽한 능력을 보여주고 있는 제임스 웹 우주망원경은 이제부터가 시작이다.

공개된 행사가 끝난 후 각 분야 전문가들이 모여서 기자들과 인터뷰를 진행하고 있다. © JWST/STScI/NASA, ESA, CSA

당초 10년으로 계획된 제임스 웹 우주망원경은 연료 상황이 매우 좋기 때문에 예상 기간보다 더 길게 우주에 머물 예정이다. 천문학자들은 제임스 웹 우주망원경과 더 긴 노출시간을 이용하여 우리의 광할하고 깊은 우주를 계속해서 파헤칠 것이다.

* 공개된 고해상도 이미지는 이곳(관련 페이지 바로 가기)에서 다운로드 받을 수 있습니다.

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