호주가 주도한 7년간의 대규모 천문학 연구 프로젝트를 통해 은하(galaxies)가 어떻게 회전하고 성장하며, 군집을 형성하고 죽음에 이르는지에 대한 복잡한 역학이 밝혀졌다.

호주 천문학 연구팀은 시드니 스프링 관측소에 있는 구경 4미터짜리 앵글로-오스트레일리안 망원경(AAT)과 연결된 시드니-AAO 다중 객체 통합장 분광기(Sydney-AAO Multi-Object Integral-Field Spectrograph, SAMI)를 사용해, 한 번 관측에 은하 13개씩 모두 3068개의 은하를 관측하는 성과를 거뒀다. <관련 동영상>

호주 연구 이사회(ARC) 전 우주 3차원 천체물리 고등센터(Centre of Excellence for All Sky Astrophysics in 3 Dimensions, ASTRO 3D)가 감독한 이 프로젝트에서는 광섬유 묶음들을 사용해 각 은하의 여러 지점에서 색상 혹은 스펙트럼 띠들을 포착해 분석했다.

이 연구는 2일 arxiv 인쇄 전 서버와 ‘왕립 천문학회 월간 회보(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)’ 저널에 발표됐다. 최종 발표 논문에는 호주와 벨기에, 미국, 독일, 영국, 스페인 및 네덜란드의 천문학자 41명이 저자로 참여했다.

전 세계 천문학자들은 이번 연구 결과를 활용해 은하들이 서로 어떻게 상호 작용하는지, 그리고 시간이 지나면서 어떻게 성장하고, 빨라지고 느려지는지를 더욱 상세히 탐구할 수 있게 됐다.

탐사 자료 바탕으로 이미 논문 수십 편 나와

은하도 사람처럼 똑같이 생긴 것은 없다. 은하들은 각각 서로 다른 둥근 돌출부(bulges)와 후광(haloes), 원반(disks) 및 고리(rings)를 가지고 있다.

어떤 은하들은 새로운 세대의 별을 형성하고 있고, 또 다른 은하들은 수십억 년 동안 그런 일을 하지 않고 침묵 속에 있는 것으로 알려진다. 또 은하 안에는 초거대 블랙홀이 에너지를 공급하는 강력한 되먹임 회로(feedback loops)가 있다.

논문 제1저자로 ASTRO 3D 센터와 시드니대에 적을 둔 스콧 크룸(Scott Croom) 교수는 “SAMI를 통해 은하의 실제 내부 구조를 볼 수 있었으며, 그 결과는 놀라웠다”고 말했다.

크룸 교수는 “방대한 양의 SAMI 탐사를 통해 은하들의 유사점과 차이점을 식별해 낼 수 있어서, 은하들의 긴 생애에 영향을 미치는 힘을 이해하는 데 좀 더 가까워질 수 있었다”고 밝혔다.

2013년에 시작된 이번 조사는 이미 천문학 논문 수십 편의 기초가 됐고, 이를 활용한 더 많은 논문들이 작성되고 있다. 최종 데이터를 서술한 이번 논문에는 처음으로 은하단 안에 있는 888개 은하에 대한 세부사항을 포함하고 있다.

“은하의 본질, 질량과 환경 따라 달라져”

크룸 교수는 “은하의 본질(nature)은 은하의 질량과 환경에 따라 달라진다”고 설명했다. 은하들은 다른 은하가 거의 없는 빈 공동(voids) 지역에서 외롭게 존재할 수도 있고, 은하단의 은하가 밀집된 심장부나 그 사이 어느 곳에나 존재할 수 있다.

연구팀은 SAMI 탐사를 통해 은하의 내부 구조가 질량 및 환경과 어떻게 동시에 관련되는지를 파악할 수 있어서, 서로 간에 미치는 영향을 이해할 수 있었다는 것이다.

탐사에서 나타난 자료를 연구한 결과 이미 전에는 예상치 못했던 여러 결과가 밝혀졌다.

일단의 천문학자들은 은하의 회전 방향이 그 주변 다른 은하들의 영향을 받아 달라지고, 자신의 크기에 따라 달라진다는 사실을 보여주었다. 또 다른 그룹은 은하의 회전 양은 주변 환경의 영향을 거의 받지 않고 주로 질량에 의해 결정된다고 발표했다.

별을 형성하는 은하들을 관찰한 세 번째 그룹은, 많은 은하들에서의 별 형성 과정이 이 은하들이 은하단의 밀집 지역으로 휩쓸려 들어간지 단지 10억 년 뒤에 시작됐다는 사실을 발견했다.

우주와 은하 진화에 대한 지식 확충

논문 공저자인 호주 맥쿼리대 맷 오워스(Matt Owers) 박사는 “SAMI 탐사는 은하 진화에 대한 매우 광범위한 몇몇 최상위 질문에 대한 해답을 조언할 수 있도록 설정됐다”고 말했다.

그는 “수집한 상세한 정보들이, ‘은하들은 왜 그들이 우주에 위치한 곳에 따라 다르게 보이나?’, ‘어떤 과정을 통해서 은하들의 새로운 별 형성이 차단되고, 또 반대로 별 형성이 유도되는가?’, ‘왜 일부 은하의 별들은 고도로 정렬된 회전 원반에서 움직이는 반면 다른 은하들에서는 별들의 궤도 방향이 무작위인가?’ 등의 기본적인 질문을 이해하는 데 도움이 된다”고 밝혔다.

크룸 교수는 “이번 탐사는 이제 끝났고, 모든 자료를 공개함으로써 앞으로 이를 이용한 연구들이 좋은 결실을 맺기를 기대한다”고 밝혔다.

논문 공저자로 ASTRO 3D에 참여하고 있는 줄리아 브라이언트(Julia Bryant) 시드니대 부교수는 “이 연구의 다음 단계에서는 올해 가동을 시작할 헥터(Hector)라 불리는 새로운 탐사 기구를 사용해 관측 가능한 은하의 수와 세부사항들을 확대하겠다”고 말했다.

연구팀은 헥터가 AAT에 완전히 설치되면 1만 5000개의 은하를 탐색할 수 있을 것으로 보고 있다. 이번 연구의 전체 데이터세트는 AAO의 Data Central을 통해 온라인으로 공개돼 있다.