제임스 웹, 왜소은하 ‘WLM’을 자세히 관측하다

[JWST 발사부터 현재까지] 스피처 우주망원경 관측결과와의 비교

왜소은하란?

명왕성(Pluto)으로 대표되는 왜소행성(Dwarf Planet)은 행성의 정의를 충족하지는 못하지만, 행성과 비슷하면서도 보다 작은 천체를 나타낸다. 즉, 태양을 공전하며 원형의 형태를 유지할 수 있도록 충분한 질량이 있고, 다른 행성의 위성이 아니어야 한다. 하지만 궤도 주변의 다른 천체를 흡수할 수 없는 천체여야 한다. 물론, 구체적인 수치는 해당 천체의 천체물리학적 성질에 의해 달라지기 때문에 반경의 크기와 질량을 수치로 정의하기는 매우 힘들다. 

반면, 왜소은하(Dwarf Galaxy)는 은하의 정의는 충족하지만 왜소행성의 작은 크기처럼 작은 은하를 나타낸다. 보통 수십억 개까지의 별로 구성된 은하이며 이들은 우리 은하에 비해서 매우 적은 수의 별을 가지고 있다. 이들은 작은 크기와 질량 그리고 중력 탓에 주변 큰 은하와의 상호작용에 쉽게 영향을 받는다.

예를 들면 이웃 나선은하에 의해서 끌어 당겨지며 외형이 찌그러지거나 파괴되는 모습들이 관측되어 왔다. 위 때문에 왜소은하는 은하 그리고 우주의 진화에 매우 중요한 천체로 인식되고 있다. 대부분의 왜소은하는 암흑물질과 관련되어 있다고 알려졌지만, 최근 새로운 형태의 왜소은하도 발견되고 있다. 

 

왜소은하 WLM 촬영한 제임스 우주망원경

근적외선에 특화된 제임스 웹 우주망원경(JWST: James Webb Space Telescope)은 연이어서 놀라운 우주의 모습을 보여주고 있다. 제임스 웹의 민감한 해상도로 적절하게 분해된 항성 개체군의 관측에 초점을 맞춘 Webb Early Release Science(ERS) 프로그램을 이끄는 1,334명의 천문학자들 중 미국 뉴저지의 럿거스(Rutgers) 대학 크리스틴 맥 퀸 교수(Prof. Kristen McQuinn)는 Wolf–Lundmark–Melotte(WLM) 은하 내 수많은 별을 포함하여 주변 대규모 별 그룹을 촬영했다. 

이를 통해서 왜소은하 Wolf-Lundmark-Melotte(WLM)의 관측 일부가 공개되었는데, 이를 통해서 제임스 웹의 해상도가 얼마나 뛰어난지 알 수 있다. 제임스 웹의 선배 망원경 격인 스피처 우주망원경(Spitzer Space Telescope)의 이미지와 비교해보면 불과 20년 만에 인류의 천문학이 얼마나 진보했는지 알 수 있다. 스피처 우주망원경은 비교적 작은 구경과 좁은 파장대로 인해서 일반적인 관측 분야에 두루 이용되며 적외선 천문학의 새 지평을 열었지만 제임스 웹은 보다 구체적인 천체를 관측하는데 훨씬 더 용이함을 알 수 있다. 

비교 사진: Spitzer IRAC 이미지(왼쪽)에는 3.6 마이크로미터 파장을 이용하는 IRAC1 필터(청록색으로 표시)와 4.5 마이크로미터 파장을 이용하는 IRAC2 필터(주황색으로 표시) 등이 이용되었으며, Webb NIRCam 이미지에는 0.9 마이크로미터 파장을 이용하는 F090W 필터(파란색으로 표시), 1.5 마이크로미터 파장을 이용하는 F150W 필터(청록색으로 표시), 2.5 마이크로미터 파장을 이용하는 F250M 필터(노란색으로 표시), 그리고 4.3 마이크로미터 파장을 이용하는 F430M 필터(빨간색으로 표시) 등이 이용되었다. © Spitzer/NASA

스피처 우주망원경 관측결과와의 비교

왼쪽의 이미지의 촬영에는 스피처 우주망원경의 IRAC 기구가 이용되었으며, 오른쪽 이미지의 촬영에는 제임스웹 우주망원경의 NIRCam 기구가 이용되었다. 스피처 우주망원경으로 관측한 결과 대부분이 검은 배경으로 여러 은하나 별들이 흐릿한 모습으로 나타나고 있다.

대부분의 천체는 흰색을 띠고 있지만, 일부는 푸른색이나 붉은색을 띠고 있다. 하지만 대부분 완벽히 분해되지 않은 해상도를 보여주고 있기에 천체의 정확한 식별이 불가능하다. 스피처 우주망원경은 작은 주경 크기 탓에(지름 0.85 m) 해상도가 좋진 않지만 관측 파장(3.6 ~160 마이크로미터)이 적외선이기에 우주의 차가운 물체들을 식별하기 안성맞춤인 망원경이다. 또한, 예정 수명이 6년이었지만 16년 넘게 안정적으로 적외선 우주를 관측하며 열심히 우주의 신비에 대해서 파헤친 고마운 망원경이다. 

하지만 제임스 웹의 해상도는 주경의 크기도 훨씬 크며 관측 파장도 더 짧은 탓에 (보통 짧은 파장과 큰 주경이 좋은 해상도를 보여줌) 스피처 우주망원경과 비교도 되지 않는다. 스피처 우주망원경으로의 관측 결과 식별을 할 수 없었던 대부분의 천체가 완벽히 분해되었으며 다양한 색상, 크기, 모양 및 밝기로 명확하게 구별되는 수천 개의 천체를 보여주고 있다. 대부분의 천체는 진한 주황색, 파란색, 흰색 등으로 표시되고 있으며 이들은 WLM은하를 구성하는 별들이다.

특히, 제임스 웹 이미지에서 볼 수 있는 대부분의 천체들은 스피처 우주망원경의 관측 사진에 나타나지 않았던 천체들임을 고려하면 과연 제임스 웹 우주망원경에 거대한 자본과 노력이 투입될 만하다고 평가될 수 있을 듯하다. (고해상도 비교 사진 보러 가기)

 

왜소은하 WLM 흥미로울까?

WLM은 우리 은하계 이웃에 있는 왜소은하이다. 우리 은하와 꽤 가깝지만(지구에서 약 300만 광년 떨어져 있음, 1광년은 빛이 1년 동안 진행하는 거리로 대략 9조 4,607억km) 상대적으로 고립된 은하이다.

현재까지 천문학계에서는 WLM이 다른 시스템과 상호 작용하지 않았다고 간주되고 있으며, 이 때문에 은하계 형성 및 진화 이론을 테스트하는 데 이상적인 천체이다. 근처의 다른 수많은 은하는 왜소은하가 아니더라도 주변 은하와 상호작용을 통해서 진화된 흔적을 보이는데 WLM은하는 사뭇 다른 모습을 보이기에 매우 흥미로운 천체이다. (줌인 비디오 보러 가기)

© NASA, ESA, CSA, STScI, Kristen McQuinn/Rutgers University, 이미지 처리: Alyssa Pagan, Zolt Levay/STScI

또 다른 흥미로운 점으로 위 은하를 구성하고 있는 가스들이 초기 우주에서 은하를 구성한 가스와 유사하다는 점을 들 수 있다. 즉, 수소와 헬륨보다 무거운 원소가 다른 은하의 구성보다 부족한 모습을 보이고 있다. 아마도 은하는 은하풍(galactic winds)으로 인해서 이러한 구성 원소들을 많이 잃어버렸기 때문으로 파악되고 있다.

WLM의 별들은 상대적으로 최근 형성되었으며 주변에서 초신성과 같이 거대한 별들이 폭발할 때 일부 물질들이 작은 은하계에서 밀려나기 때문으로 예측된다. 결과적으로 WLM은하는 아주 먼 과거 우주 작은 은하에서 별이 어떻게 형성이 되며 진화되는지에 대한 답을 알려줄 수 있을 것으로 기대되는 천체이다. (JWST의 고해상도 사진 보러 가기)

보통 질량이 작은 별들은 수십억 년 이상의 수명을 자랑한다. 이를 통해서 WLM에서 볼 수 있는 별들 중 일부는 초기 우주로부터 형성되었다고 유추할 수 있다. 이 작은 질량의 별들의 수명과 특징을 조사함으로써 우리는 아주 먼 과거에 무슨 일이 일어났었는지에 관한 통찰력을 얻을 수 있다. 특히 은하가 처음 형성되었을 때의 모습을 간직하고 있는 매우 높은 적색 편이를 보이는 은하들과 함께 살펴봄으로써 은하의 초기 형성에 관한 빈 퍼즐을 채워줄 수 있다.

맥 퀸 교수팀은 위 은하를 이미 허블 우주망원경을 통해서 관측한 바 있다. 위 두 이미지의 비교를 통해서 별의 밝기를 보다 높은 정확도로 측정할 수 있는 툴을 개발하고 있다. 이를 통해서 항성 진화 모델은 한층 더 보완될 전망이다.

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