제임스웹우주망원경 “가장 먼 은하계 발견했다”

미항공우주국 나사(NASA)는 제임스웹우주망원경(JWST)을 사용해 지금까지 알려진 가장 멀리 있는 은하계를 관측하는 데 성공했다고 발표했다.

천문학자는 나사가 운영하는 적외선 관측 우주망원경 JWST를 활용해 빅뱅 이후 처음 수억 년 동안 탄생한 것으로 추정되는 은하계를 조사해왔다. 초기 우주 은하계는 가스, 별, 블랙홀이 어떻게 진화해왔는지에 대한 중요한 통찰을 제공할 것으로 여겨진다. JWST 우주 관측 프로그램 중 하나인 JADES(JWST Advanced Deep Extragalactic Survey)에선 관측 초년 빅뱅 후 6억 5,000만 년경 생성된 것으로 보이는 은하계 수백 개가 발견됐다. 또 2023년 초에는 적색편이 14 이상인 은하계도 발견됐는데 그 은하계는 멀리서 관측된 것치고는 놀랄 만큼 밝았다고 한다. 또 관측된 은하계는 다른 은하계와 상당히 가까웠기 때문에 두 은하계가 커다란 한 천체 일부일 수도 있다고 추측됐다.

2023년 10월부터 2024년 1월까지 국제 연구팀은 JADES 일환으로 JWST를 사용해 은하계 관측을 수행했다. 연구팀은 JWST 근적외선 분광기인 NIRSpec을 사용해 빅뱅 후 2억 9,000만 년 만에 탄생한 은하계 스펙트럼을 관측하는 데 성공했다.

연구팀은 2023년 10월 NIRSpec을 사용해 고적색편이 존재 가능성을 시사하는 이미지를 촬영했다. 이어 지난 1월에는 NIRSpec을 사용해 JADES-GS-z14-0이라는 은하계를 10시간 가까이 관측하는 데 성공했다.

은하계 스펙트럼을 처리한 결과 JADES-GS-z14-0 적색편이는 14.32로 밝혀졌다. 지금까지 발견된 은하계 중 가장 큰 적색편이는 13.2인 JADES-GS-z13-0였기 때문에 JADES-GS-z14-0는 알려진 은하계 중 가장 먼 것으로 입증됐다. JADES-GS-z14-0 적색편이는 14.32(+0.08/-0.20)이며 JADES-GS-z14-0은 빅뱅 후 2억 9,000만 년 생성된 은하계로 추정된다.

더불어 JADES-GS-z14-0은 1,600광년 크기를 갖고 있으며 빛 대부분이 초대질량 블랙홀 주변 방출이 아닌 젊은 별로부터 나온다는 것도 증명됐다. 이렇게 많은 별빛이 있다는 건 이 은하계가 태양 수십억 개 질량을 갖고 있다는 의미다. 따라서 연구팀은 자연이 3억 년도 채 되지 않아 어떻게 이렇게 밝고 크고 질량이 큰 은하계를 만들어냈을까라고 적었다.

또 JADES-GS-z14-0 색이 푸르지 않다는 것도 밝혀졌다. 초기 단계임에도 빛 일부가 먼지에 의해 적색화된 모양이다. 연구팀은 JADES-GS-z14-0이 JWST 중적외선 기기인 MIRI를 사용해 더 긴 파장에서도 관측됐다고 언급했다.

MIRI 관측은 NIRSpec으로는 도달할 수 없는 적색편이된 가시광선 영역 파장을 포착한다. 분석에 따르면 MIRI로 관측된 광원 밝기는 다른 JWST 측정값에서 추정한 밝기보다 밝아 은하계 내에 수소와 산소로 이뤄진 밝은 방출선 형태로 강력한 전리 가스 방출이 존재함을 시사한다. 은하계 탄생 초기 산소가 존재했다는 건 놀라운 일로 그 은하계가 관측되기 전에 이미 여러 세대 매우 큰 질량 별이 생을 마감했다는 걸 보여준다고 연구팀은 설명하고 있다.

적색편이는 라이만 브레이크라 불리는 은하간 수소 가스가 천체로부터 오는 빛을 산란 흡수하는 현상을 이용한 방법으로 측정된다. JADES-GS-z14-0은 이론 모델과 컴퓨터 시뮬레이션으로 초기 우주에 존재할 것으로 예측되는 유형 은하계와는 다른 것으로 보인다. 지금까지 조사에서 고적색편이로 관측된 수백 개 다른 은하계 중에서는 적절한 유사체를 찾지 못했다. 하지만 JADES-GS-z14-0을 찾기 위해 탐색한 하늘 영역이 비교적 작았기 때문에 다른 연구에서도 논의되고 있듯 초기 우주에서 관측되는 밝은 은하계 예상 숫자는 향후 크게 변할 가능성이 있다.

초기 우주 은하계 진화를 이해하려면 더 많은 관측과 연구가 필요할 것으로 보인다. JADES 팀은 앞으로 2년 동안 JWST를 사용해 더 넓은 우주 영역을 조사할 계획이라고 한다. 더 많은 초기 은하계를 발견하게 되면 특성을 보다 잘 파악할 수 있을 것이다.

JADES-GS-z14-0 발견은 JWST가 우리 우주 기원과 진화를 이해하는 데 획기적인 통찰력을 제공할 수 있다. 한 JWST 프로젝트 과학자는 JWST는 우주 초기 은하계 연구에서 새로운 장을 열었다고 말했다. 초기 은하계에 대한 이해가 발전하면서 우주 전체 진화에 대한 그림도 더 선명해질 것이다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.