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우주

더 깊은 초기 우주를 보게된, 제임스웹 망원경

by Spacewizard 2023. 3. 12.
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빛의 속도는 1초에 지구를 7바퀴 반을 돌 수 있는 정도로 매우 빠르지만 유한하다. 빛이 아무리 빨라도 우주의 별들은 너무 멀리 있어서 별빛이 지구에 도달하려면 오랜 시간이 걸리고, 우리가 흔히 광속이라고 부르는 상상도 안되는 속도로 표현된다. 사실 지금 밤하늘에서 반짝이는 별은 과거 모습이다. 우주의 머나먼 과거를 보기 위해 우리는 망원경으로 관측행위를 하는 것이다. 그리고 인간은 관측을 통해서 은하와 별의 나이를 계산하였고, 더 오래된(멀리 있는) 은하와 별을 관측하기 망원경의 성능을 개선시켜 왔다. 최근 제임스웹 우주망원경이 지금까지 관측된 은하들보다 더 오래 전의 은하를 관측했다는 보도가 있었다. 이전 글 <젊은 우주공간으로 다가가는, 제임스웹 망원경>에서 언급한 제임스웹 망원경의 초기 우주에 대한 관측에 관한 내용이 있어 소개한다.

은하의 구성

은하(galaxy) 항성(별), 행성계, 가스와 먼지, 암흑물질, 중성자별블랙홀로 구성된다. 수많은 별들이 중력작용으로 모여서 은하를 형성하며, 별 주변에는 행성들이 공전하면서 행성계를 이루고 있다. 그리고 은하 내에는 수많은 가스와 먼지가 존재하는데, 이들은 신규 별들의 생성과 기존 별들의 진화 과정에서 방출되는 물질들로 중력작용에 의해 별들과 함께 모여 은하를 형성한다. 그리고 은하 내에는 직접적으로 관측할 수 없는 암흑물질이 존재하는데, 이는 전자기적으로 상호작용하지 않는 물질이지만 별들이 이끌려 가는 현상 등으로 그 존재가 추정되고 있다. 중성자별과 블랙홀은 매우 밀도가 높은 별로, 강력한 중력을 가지고 있다. 참고로 galaxy는 그리스어로 우유(gala)를 내린다는 의미의 galaxias에서 유래되었는데, 당시 그리스인들은 은하를 젖을 내리는 신이 만들었다고 믿었기 때문이라고 한다. 

머리털자리의 나선 은하 NGC 4414 출처 위키백과
머리털자리의 나선 은하 NGC 4414 [출처:위키백과]


136억 년 전 초기 우주 은하 발견

2022년 8월 1일 제임스 웹 우주망원경으로 138억년 전 우주대폭발(빅뱅)이 일어난지 2억 3500만 년이 지난 약 136억 년 전에 존재했던 은하(CEERS-93316)를 관측했다는 발표가 있었다. 먼 과거에 있던 초기 은하를 관측할 수 있다면 우주의 기원을 파악하는데 한 걸음 더 다가갈 수 있다. 135억 년 전 은하(GLASS-z13)를 발견한지 1주일 만에 가장 오래된 은하 관측 기록을 경신했다. 우주 나이 약 2억 년 시기(136억 년 전)에도 이론적 예측을 훌쩍 뛰어넘는 많은 수의 은하가 있었다는 관측 결과는 우주 이론의 대혁명으로 이어질 가능성이 있다. 제임스웹 망원경 이전에 관측한 가장 오래된 은하는 허블 망원경으로 큰곰자리에서 발견한 은하(GN-z11)로 빅뱅에서 4억 년 지난 시기의 은하였는데, 제임스웹 망원경은 허블 망원경의 기록을 2억 3500만 년까지 단축시키고 있다.

제임스웹의 근적외선 카메라적색편이 현상을 이용해 초기 은하를 발견하고 있다. 적색편이 우주 팽창으로 인해 빛의 파장이 길어지는 현상이다. 은하의 나이는 빛의 적색편이 정도(z값)를 토대로 추정하는데, 빛이 멀어질수록 파장이 길어지면서 붉은색을 띠는 것에 착안하여 만든 측정법이다. 적색편이 값이 높을수록 멀리 떨어진 오래된 별이다. 적색편이 값이 10이라는 건 별에서 나온 빛의 파장이 10배나 길어졌다는 의미로, z값이 10을 넘으면 우주 나이가 10억년이 안 된 시점에서 방출된 빛이다. 이런 은하는 적외선 스펙트럼에서만 관측할 수 있다. 허블 망원경이 발견한 GN-z11 은하는 적색편이 값이 11로, 제임스웹 이전에 관측한 은하 중에서 적색편이 값이 10을 넘은 건 GN-z11가 유일했다. CEERS-93316 은하의 적색편이가 16.7인 것을 확인했는데, 지금까지 관측된 은하들 중에 가장 멀리 있는 초기 은하로 무려 지구로부터 350억 광년(1광년은 빛이 1년 가는 거리로 약 9조 4600억㎞) 떨어진 곳에 있다. 제임스웹 망원경의 근적외선 카메라는 5㎛, 중적외선 기기는 28㎛의 적외선 파장까지 포착할 수 있는 반면, 허블 망원경은 1.6㎛(1㎛=100만분의 1m)의 적외성 파장까지만 포착할 수 있었다.

CEERS-93316 은하 출처 조선일보
CEERS-93316 은하 [출처:조선일보]


초기 우주에서 거대은하 6개 발견

2023년 2월 23일 빅뱅 후 5~7억 년 지난 우주에서 거대은하 6개를 발견했으며, 가장 큰 은하의 별 질량은 태양의 1000억 배 가까이 되는 것으로 추정된다는 발표가 있었다. 5~7억 년은 매우 긴 시간처럼 느껴지지만, 우주의 역사 138억 년 중 단 3%에 불과한 짧은 시간이다. 우주는 빅뱅 후 급격히 팽창했으며, 초기우주에는 작은 은하 밖에 없었다는 기존 우주론이 흔들릴 가능성이 있다. 물론 초기 우주의 은하 대부분은 기존 우주론과 같이 여전히 작았으며 시간이 흘러 점진적으로 팽창해 왔다. 하지만 몇 개의 괴물급 은하는 다른 은하보다 훨씬 빨리 성숙했는데 그 원인은 아직 알 수 없다고 한다.

이번 관측 결과는 천문학계가 전혀 예상치 못한 것이어서, 이번에 발견한 거대은하에 우주파괴자(universe breaker)라는 비공식 명칭을 부여했다고 한다. 우주는 기존의 모델 보다 훨씬 빠르게 진화했을 가능성이 있으며, 이를 설명하려면 우주론의 모델을 바꾸거나, 초기 우주에 작은 별과 먼지에 불과했던 클러스터가 은하로 발달했다는 기존의 학설을 수정해야 할 수도 있다고 한다. 제임스웹 망원경은 관측을 시작한 이후 기존의 우주 모델로는 설명이 안되는 데이터들을 수집하여 제공하고 있다. 앞으로도 파괴적 행보를 보여줄 제임스웹 망원경의 역할을 기대한다.

 

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