제임스 웹, 중력 렌즈 효과와 함께 오래된 은하를 관측하다

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제임스 웹, 중력 렌즈 효과와 함께 오래된 은하를 관측하다
[JWST 발사부터 현재까지] MACS0647 은하단의 거대한 중력으로 인한 중력 렌즈 효과

2022.11.03 09:00 김민재 리포터

제임스 웹 우주망원경이 첫 번째 결과를 공개한 지도 벌써 수개월이 지나고 있다. 우리가 그동안 알지 못했던, 혹은 예상보다 훨씬 멋진 우주 사진들이 하나씩 공개되면서 사람들은 크게 감동했고 이를 통해서 대중과 천문학의 사이 간극은 점점 좁혀져 가고 있다. (관련 기사 바로 보러 가기 – “제임스 웹 우주망원경, 첫 관측 결과를 공개하다”)

특히, 우주의 초창기 모습은 관측이 매우 힘들기에 현재까지도 잘 연구되지 않은 분야 중 하나이다. 이는 제임스 웹 우주망원경의 첫 번째 목표와도 같은데, 아주 먼 은하에서 오는 희미한 적외선을 감지할 수 있도록 설계된 제임스 웹 우주망원경은 우주의 초창기 모습을 관측하기에 안성맞춤이다.

MACS0647 은하단의 거대한 질량과 중력은 우주의 거대한 렌즈 역할을 하여 먼 MACS0647-JD 시스템의 빛을 구부리고 확대한다. JD1(오른쪽 그림에서 ①번), JD2(오른쪽 그림에서 ②번), 그리고 JD3(오른쪽 그림에서 ③번) 모두 MACS0647-JD이다. © NASA, ESA, CSA, STScI, and Tiger Hsiao (Johns Hopkins University). IMAGE PROCESSING: Alyssa Pagan (STScI).

새로 공개된 제임스 웹 우주망원경의 사진을 보면 딥필드가 아님에도 불구하고 마치 딥필드 같은 모습을 보여준다. 그동안 망원경으로는 볼 수 없었던 새로운 모습이 공개된 점도 매우 신비롭지만, 긴 노출이 아님에도 불구하고 배경에는 수많은 은하가 포착되었다는 점이 특히 흥미롭다. 노출 시간이 짧았음에도 불구하고 이런 사진 촬영이 가능한 제임스 웹 우주망원경의 능력을 생각해보면, 위 사진은 이제 시작에 불과할 수도 있다.

참고로 위 사진은 근적외선 카메라(NIRCam)를 통해서 촬영되었으며 F115W, F150W 필터(파란색), F200W, F277W 필터(녹색), 그리고 F365W, F444W 필터(빨간색) 등이 사용되었다. (고해상도 사진 보러 가기)

제임스 웹 우주망원경의 결과에서 무엇보다 흥미로운 점은 중력 렌즈 효과가 자주 관측된다는 점이다. 전경에 있는 은하단이 유발하는 중력 렌즈 효과 덕분에 뒤편의 희미한 배경 은하가 확대될 수 있으며 같은 천체가 여러 번 나타날 수도 있다. 이번 공개된 관측 사진에서도 MACS0647-JD가 세 번에 걸쳐서 포착되었다. JD1(오른쪽 그림에서 ①번), JD2(오른쪽 그림에서 ②번), 그리고 JD3(오른쪽 그림에서 ③번) 모두 MACS0647-JD이다. 참고로, 중력 렌즈 효과로 인해서 JD1, JD2 및 JD3 모습이 각각 8배, 5배, 2배 정도로 확대되었다.

10년 전 허블 우주 망원경으로 MACS0647-JD 은하를 발견한 유럽 우주국(European Space Agency) 및 존스 홉킨스 대학(Johns Hopkins University) 소속의 댄 코 박사 (Dr. Dan Coe)는 관측 당시 위 은하가 그저 창백한 빨간 점에 불과했다고 회상한다. 그 당시 코 박사는 높은 적색편이 은하를 한 번도 연구한 적이 없었기에 큰 관심을 두진 않았다고 한지만, 매우 높은 적색편이(z = 11)를 보이는 위 은하는 빅뱅으로부터 약 4억 년밖에 지나지 않은 신비롭고 아주 작은 은하라는 사실만 알 수 있었다고 한다.

10년 전 허블 우주 망원경으로 촬영한 MACS0647-JD 은하(빨간 점) © NASA, ESA, M. Postman and D. Coe (STScI), and the CLASH Teambar

하지만 우주 초창기 모습을 관측하는 데 최적화된 제임스 웹 우주망원경으로 관측한 결과, 위 천체는 사실 두 개의 개체라는 것이 밝혀졌다. 현재 제임스 웹 팀은 이것이 2개의 은하인지 은하계 내의 두 별 덩어리인지 파악하고 있다. 또한, 두 천체 간의 색상이 너무 다른 것을 볼 수도 있다. 오른쪽의 천체는 더 붉은 모습을 띠는데, 파란 물체는 실제로 아주 어린 별이 형성되고 있고 먼지가 거의 없다고 생각되지만, 작고 붉은 물체는 내부에 먼지가 많고 더 오래되었다고 예측되고 있다. 물론 두 천체의 질량도 매우 다를 것이다.

이렇게 작은 천체 시스템이 중력 렌즈 효과로 인해서 우리의 눈에 띄었고 뛰어난 해상력 덕분에 두 개의 다른 구조로 볼 수 있다는 것은 천문학자들에게 매우 흥미로운 일이다. 이들이 만약에 은하라면, 그리고 두 천체가 상호작용을 일으키고 있다면, 이는 우주 초기의 은하 합병일 수도 있기 때문이다.

허블 우주망원경에서는 분해되지 않았던 천체(오른쪽 아래 박스)가 제임스 웹 우주망원경을 통해서는 2개의 천체로 이루어졌음이 확인되었다. © NASA, ESA, CSA, STScI, T. Hsiao, A. Pagan, M. Postman

텍사스 오스틴 대학교의 연구원인 레베카 라르슨(Rebecca Larson)에 따르면 제임스 웹 이전까지 우리는 초기 우주의 은하에 대한 자세한 연구 진행이 불가능했다고 한다. 그간 오직 수십 개 정도의 초기 우주 은하만 알고 있었지만, 제임스 웹 우주망원경을 이용하면 더 많은 포착이 가능해질 것으로 기대된다. 또한, 이들을 자세히 연구하면 오래된 은하들이 어떻게 오늘날 우리가 살고 있는 은하계와 비슷한 은하계로 어떻게 진화했는지, 또한 시간이 지남에 따라서 우주가 어떻게 진화해왔는지 이해하는 데 도움이 될 수 있다.

제임스 웹-허블 우주 망원경 비교 비디오 시청 하기

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