제임스 웹, “존재해서는 안 되는” 거대 은하들을 발견하다

기획·칼럼

제임스 웹, “존재해서는 안 되는” 거대 은하들을 발견하다
[JWST 발사부터 현재까지] 5억~7억 년 정도의 무거운 은하 후보를 6개나 찾아내다

2023.02.23 09:00 김민재 리포터

우주의 크기를 측정하는 방법

보통 근적외선을 통해 오래된 은하를 찾으려면, “라이먼 브레이크 (Lyman break)”라 부르는 라이먼 알파 (Lyman alpha) 임계 파장(0.1216 마이크로미터; 자외선 범위)에서 스펙트럼이 갑자기 뚝 끊기는 것처럼 보이는 현상을 관측한다.

스펙트럼이 얼마나 긴 파장 쪽으로 이동했는지, 즉 Lyman alpha 임계 파장이 얼마나 적색편이를 일으켰는지 조사하여 정확한 적색편이 값을 얻으면 은하의 나이와 우주의 크기를 측정할 수 있기 때문이다. 이를 통해서 제임스 웹 우주망원경 팀은 적색편이 값(z)이 13.20인, 빅뱅 이후 4억 년도 채 되지 않은 시점에 생성된 오래된 은하를 발견한 바 있다.

(관련 기사 바로 가기 – “제임스 웹, 더 멀고 오래된 은하를 관측하다“)

이와 유사하게 발머 임계 파장(약 364.5 나노미터)을 이용하는 “발머 브레이크 (Balmer break)”도 은하의 질량, 나이, 그리고 우주의 역사를 연구하는 데 자주 이용된다.

5억~7억 년 정도 되는 은하 후보를 6개나 찾아낸 연구팀

미항공우주국(NASA)의 제임스 웹은 과거와 어두운 우주를 보는 데 특화된 적외선을 이용한다. 따라서 현재 우주 나이의 일부에 불과한, 빅뱅 이후 약 몇 억 년밖에 지나지 않은 시기에 형성된 은하들을 관측하고 있다.

호주 멜버른의 스윈번 공대 (Swinburne University of Technology) 이보 라베 교수(Prof. Ivo Labbé)가 이끄는 국제 천문학 연구팀은 빅뱅 이후 약 10억 년밖에 지나지 않은 적색 편이 6이상의 은하를 발견하고자 제임스 웹 우주망원경을 이용한 관측을 수행했다.

“존재해서는 안 되는 거대하고 무거운 은하”들이 발견되었다. 이들은 회색선 (임계값) 이상의 6개 은하들이다. ⓒ Labbé et al. 2023

연구팀은 관측 결과 7.4~9.1에 달하는 적색편이 값을 보이는 5억~7억 년 정도의 은하 후보를 6개나 찾아냈다. 위 은하들은 대략 우리 태양의 100억 배에서 1,000억 배에 달하는 질량을 가지고 있다.

참고로 정확한 질량 추정에 필요한 발머 브레이크 영역이 2.5 마이크로미터 이상의 파장으로 적색편이 되기 때문에, 더 이른 시간에 형성된 무거운 은하를 찾기는 쉽지 않다.

“존재해서는 안 되는 거대한 은하”들의 발견

문제는 이번에 발견된 은하가 “존재해서는 안 되는” 거대한 은하들이라는 점이다.

연구팀은 위 발견이 우리가 알고 있는 우주에 대한 지식을 파괴시킬 수 있다고 우려하며 “우주파괴자(Universe breaker)”라는 별명을 붙였으며, 위 은하 중 하나라도 실제 은하임이 밝혀진다면 우주론(cosmology)은 한계에 부딪히게 될 것이라고 경고했다. 연구원들은 기존의 이론에 비추어 보았을 때 우주가 시작된 직후에 은하가 이렇게 커지면 안 된다고 주장한다. 별들의 질량은 예상보다 대략 100배나 더 크기 때문이다.

관측을 토대로 모델링을 진행한 펜실베니아 주립대 천문학자 조엘 레자 교수(Prof. Joel Leja) 위 천체들은 예상했던 것보다 훨씬 더 무겁다고 주장하며, 연구팀은 처음 은하를 관측할 때 작고 어린 아기 은하만 발견할 것으로 기대했었다고 설명했다.

또한, “우주의 새벽(dawn of the universe)”이라고 일컫는 우주 초창기 관측을 통해서 우리 은하만큼 성숙한 은하가 발견된 점은 매우 놀랄만하다고 덧붙였다.