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[사이언스] 천문학자가 풀어주는 '제임스 웹' 관측 사진의 비밀②

은하들의 충돌 현장인 '수레바퀴 은하'에 담긴 놀라운 뒷이야기

2022.08.22(Mon) 10:24:08

[비즈한국] 시리아 북부 히타이트족의 유적지에는 놀라운 그림이 새겨져 있다. 활을 겨눈 채 전투를 벌이는 듯한 군인들의 모습. 군인은 마차를 타고 있다. 그런데 마차를 잘 보면 아래 6가닥의 바퀴살이 있는 바퀴가 표현된 것을 확인할 수 있다. 기원전 2000년경에 새겨진 것으로 보이는 이 그림이 놀라운 이유는 바퀴살이 있는 바퀴가 역사상 처음으로 등장한 기록 중 하나여서다. 이전까지 다른 문명은 단순히 나무판자를 원판 모양으로 둥글게 깎은 바퀴를 사용했다. 하지만 이런 바퀴는 그 무게가 너무 무거워서 이동에 큰 어려움이 있었다. 그런데 히타이트 족은 바퀴의 둥근 가장자리와 바퀴살만 남기고 나머지 부분을 모두 없앴다. 그 덕분에 바퀴는 훨씬 가벼워졌고 더 빠르게 이동할 수 있었다. 

 

시리아 유적지에서 발굴된 고대인들의 전투 장면. 군인이 탄 전차에 바퀴살이 있는 수레바퀴가 달려 있다. 이미지=Museum of Anatolian Civilization


이러한 변화는 히타이트족 군인들의 기동성과 전투력을 높여주었다. 실제로 기원전 1650년경 우르슈에서 있었던 전투 당시 히타이트의 왕 하투실리스는 “히타이트족이 단 30개의 전차만으로 80개나 되는 적군의 전차와 맞섰다”라는 기록을 남겼다. 이후 바퀴살이 있는 수레바퀴의 형태는 이집트, 메소포타미아, 중국 등 다양한 문화권으로 전파되었다. 물자의 이동뿐 아니라 전쟁의 양상, 더 빨라진 탈 것을 활용한 새로운 유희 문화에 이르기까지 인류 역사는 수레바퀴의 발명과 함께 또 한 번 큰 변화를 겪었다.

 

그로부터 3600여 년이 지난 1941년 한 천문학자는 우주에 숨어 있는 또 다른 거대한 수레바퀴를 발견했다. 암흑 물질의 개념을 처음 제안한 것으로도 잘 알려진 천문학자 츠비키는 남쪽 하늘 조각가자리 방향으로 약 5억 광년 거리에서 놀라운 은하를 발견했다. 갓 태어난 푸른 별들이 둥글고 거대한 고리를 이루고, 중심부까지 여러 가닥의 바퀴살이 이어진 듯한 모습이었다. 말 그대로 거대한 수레바퀴가 우주에 떠 있는 것처럼 보인다. 그 크기만 6만 5000광년에 달한다. 그래서 수레바퀴 은하라고 불린다. 츠비키는 이를 “우주에서 가장 복잡한 구조물”이라고 기록했다. 언뜻 보기에도 평범한 은하들과는 다른 모습이다. 

 

최근 제임스 웹 우주 망원경이 이 우주의 수레바퀴를 다시 한번 포착했다. 그리고 기존의 관측을 압도하는 수레바퀴의 놀라운 모습을 보여주었다. 이번 관측은 인류에게 다시 큰 도약의 불씨가 될지 모른다. 과거 히타이트족이 수레바퀴를 처음 발명한 순간에 버금갈 만큼. 이 거대한 우주의 수레바퀴 속에 천문학자들이 지금껏 찾지 못한 미스터리한 존재들이 바글바글 숨어 있을지 모르기 때문이다. 단순히 두 은하가 충돌하면서 만들어진 모습이라고 생각한 수레바퀴 은하의 진짜 비밀을 소개한다. 

 

단순히 은하 충돌 현장이라고 생각한 수레바퀴 은하의 진짜 비밀을 소개한다.

 

원래는 이곳도 지극히 평범한 나선은하였다. 그런데 지금으로부터 2억~3억 년 전 멀리서 작은 은하 하나가 빠르게 날아왔다. 이 작은 은하는 나선은하 정중앙을 그대로 관통했다. 아주 빠르고 강력한 정면충돌(Head-on collision)이었다. 멀리서 날아온 작은 은하는 거대한 나선은하의 일부로 바로 흡수되지 않았고 그대로 은하를 뚫고 지나갔다. 수레바퀴 은하 주변 영역을 전파로 관측하면 수레바퀴 은하에서 멀리 다른 작은 은하들까지 길게 전파 꼬리가 이어져 있다. 과거 수레바퀴 은하를 관통하고 지나간 작은 은하들이 누구인지를 명확하게 확인할 수 있다. 

 

수레바퀴 은하 중심부에서부터 길게 이어진 전파 광원의 분포가 녹색선으로 표현되어 있다. 사진=Curt Struck and Philip Appleton(Iowa State University), Kirk Borne(Hughes STX Corporation), and Ray Lucas(Space Telescope Science Institute), Jim Higdon(Australia Telescope National Facility’s Paul Wild Observatory), Victor Blanco(Cerro Tololo)

 

정면충돌로 관통 당한 나선은하에는 둥근 충격파가 빠르게 펴져나갔다. 이 과정은 운석이 부딪힐 때 둥근 크레이터가 만들어지는 것과 같다. 사실 수레바퀴 은하의 뚜렷한 둥근 고리의 모습은 은하 버전의 크레이터라고 볼 수 있다. 충격파로 인해 밀려나간 가스 물질은 다시 빠르게 모이고 반죽되었다. 곧바로 뜨겁고 어린 별들이 폭발적으로 탄생했다. 기존에 허블과 이번 제임스 웹이 촬영한 수레바퀴 은하를 보면 바퀴에 해당하는 둥근 고리가 유독 푸르게 빛난다. 갓 태어난 뜨겁고 푸른 어린 별들이 둥글게 분포하고 있다는 걸 보여준다. 특히 제임스 웹은 적외선 빛을 보는 덕분에 은하의 먼지 구름에 파묻혀 보기 어려웠던 푸른 별들을 더 선명하게 보여준다.

 

제임스 웹으로 새롭게 관측한 수레바퀴 은하의 아름다운 모습. 사진=NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team

 

제임스 웹 사진에서는 앞선 허블 관측에서 보기 어려웠던 더욱 세밀한 바퀴살의 모습도 확인할 수 있다. 흥미롭게도 바퀴살은 푸른 별들에 비해 조금 더 파장이 긴 붉은 적외선 영역에서 더 뚜렷하게 보인다. 핑크빛의 적외선은 주로 뜨겁게 달궈진 가스 먼지 구름 자체에서 나온다. 제임스 웹의 알록달록한 컬러 이미지뿐 아니라 먼지에서 나오는 적외선만 더 집중해서 관측한 NIRspec 관측 이미지를 보면 10~11개 정도인 바퀴살의 모습을 더 선명하게 확인할 수 있다. 복잡하게 얽혀 있는 바퀴살은 2억 년 전의 정면충돌 이후 빠르게 복원되고 있는 은하의 나선팔이다. 그런데 2억 년은 (우리에겐 턱없이 긴 세월이지만) 다른 은하와의 정면충돌로 인해 완전히 파괴된 나선팔이 다시 복원되기엔 턱 없이 짧은 시간이다. 수레바퀴 은하의 나선팔이 어떻게 이렇게 빨리 다시 자라날 수 있는지를 설명하는 건 여전히 중요한 과제 중 하나다. 

 

제임스 웹의 NIRspec으로 촬영한 수레바퀴 은하. 가스로 이어진 바퀴살의 모습을 따로 구분해서 볼 수 있다. 사진=NASA, ESA, CSA, STScI, Webb ERO Production Team

 

이 수레바퀴 은하를 전파와 엑스선으로 관측하면 더욱 놀라운 점을 발견할 수 있다. 거대한 수레바퀴의 고리 부분이 전파와 엑스선 영역에서 아주 밝게 빛난다. 특히 아주 강한 에너지로 빛나고 있는 엑스선 광원이 17개 정도 발견된다. 수레바퀴의 고리가 엑스선에서 밝게 빛나고 있다는 건 이 고리를 따라 아주 무겁고 에너지가 강한 무언가가 존재한다는 뜻이다. 무거운 별이 진화를 마치고 남기는 중성자별이나 블랙홀이 가능하다. 어쩌면 더욱 놀라운 것이 숨어 있을지 모른다. 바로 중간질량 블랙홀이다! 

 

찬드라 우주 망원경을 통해 엑스선으로 관측한 수레바퀴 은하. 아주 강한 에너지를 내뿜고 있는 엑스선 광원들을 볼 수 있다. 사진=X-ray: NASA/CXC; Optical: NASA/STScI

 

(앞선 칼럼을 여러 편 봤다면 알겠지만) 중간질량 블랙홀은 아직까지도 시원하게 해결하지 못한 천문학의 중요한 난제 중 하나다. 이상하게도 우주에 존재하는 블랙홀은 아주 가볍거나 아주 무거운, 극단적인 두 경우만 있다. 태양에 비해 수십 배 정도 더 무거운 항성질량 블랙홀, 아니면 태양에 비해 수백만에서 수십억 배 정도 무거운 초거대질량 블랙홀만 있다. 그 중간 범위에 해당하는 블랙홀은 어지간해선 보이지 않는다. 우주에서 실종된, 아니 애초에 정말 존재하는지도 모호한 이 중간에 해당하는 블랙홀을 중간질량 블랙홀이라고 한다. 

 

중간질량 블랙홀을 찾는 것이 중요한 이유는 블랙홀의 성장 과정을 밝힐 가장 중요한 단서이기 때문이다. 천문학자들은 가벼운 항성질량 블랙홀들이 꾸준히 합쳐진 결과 지금의 거대한 초거대질량 블랙홀이 만들어졌다고 추정한다. 그런데 이 가설이 맞다면 당연히 그 성장 과정의 중간에 해당하는 중간질량 블랙홀도 발견되어야 할 것이다. 하지만 지금껏 중간질량 블랙홀이 거의 관측되지 않는다는 건 초거대질량 블랙홀이 전혀 다른 방식으로 생겨났거나, 성장이 너무나 빨라서 중간 단계를 포착하기 어렵다는 근거가 될 수 있다. 결국 이 가설을 반박하거나 입증하기 위해선 중간질량 블랙홀의 존재 유무를 확인하는 것이 가장 중요하다. 

 

그런데 2008년 수레바퀴 은하의 진화 과정을 시뮬레이션한 논문에서 흥미로운 가설을 제기했다. 수레바퀴 은하의 둥근 고리를 따라 밝게 빛나는 엑스선의 흔적이 바로 그 고리에 숨어 있는 수백 개의 중간질량 블랙홀 때문이라는 것이다! 당시 시뮬레이션에 따르면 작은 은하가 관통할 때 발생한 강력한 충격파로 주변으로 둥글게 가스가 반죽된다. 굉장히 빠른 속도로 가스가 한꺼번에 반죽되면서 태양 질량의 백에서 천 배에 이르는 중간질량 블랙홀도 만들어진다. 

 

현재 관측되는 수레바퀴 은하의 밝은 엑스선을 모두 설명하기 위해선 이 고리를 따라 중간질량 블랙홀이 거의 500개나 존재해야 한다. 믿기 어려울 만큼 엄청난 개수다. 지금껏 발견하지 못해서 그 존재조차 모호한 중간질량 블랙홀들이 수레바퀴 은하의 고리를 따라 바글바글 숨어 있다는 걸까? 그렇다면 이렇게 은하 두 개가 정면충돌하면서 만들어진 고리 형태의 은하들이 어쩌면 중간질량 블랙홀을 찾아낼 수 있는 숨은 노다지인지 모른다. 

 

이 때문에 일부 천문학자들은 수레바퀴 은하와 같은 고리 은하를 집중적으로 찾는다. 대표적으로 몇 곳 살펴보자. 일명 메뚜기 은하라고도 불리는 살쾡이자리 방향으로 5억 광년 거리에 떨어진 Arp 55, 고래자리 방향으로 4억 광년 거리에 떨어진 Arp 147, 큰곰자리 방향으로 5억 광년 거리에 놓인 Arp 148, 현미경자리 방향으로 7억 광년 거리에 놓인 Arp-Madore 2026-424 등이 있다. 잘 보면 충돌로 만들어진 고리 모양을 한 은하 대부분은 이름에 ‘Arp’가 들어가 있다. 천문학자 할톤 아프의 이름을 딴 것으로, 그는 1996년 고리 은하처럼 독특한 모양을 한 은하들을 아주 세밀하게 따로 분류한 특이은하 목록(Atlas of Peculiar Galaxies)을 만들었다. 지금도 계속해서 더 많은 고리 은하를 찾아내려는 연구들이 이어지고 있다. 

 

Arp 55. 사진=NASA, ESA


Arp 147. 사진=NASA, ESA

  
Arp 148. 사진=NASA, ESA

 

Arp-Madore 2026-424. 사진=NASA, ESA

 

지난 2020년 ‘네이처’에 아주 놀라운 발견이 발표된 적이 있다. 허블 우주망원경 관측을 통해 무려 110억 년 전의 아주 먼 초기 우주에서 이런 독특하고 아주 드문 고리 형태의 은하가 발견되었다. 고리 형태의 은하로는 아주 멀리서 발견된 기록이다. R5519라고 이름 지어진 이 은하는 분명 가운데가 텅 빈 둥근 고리 모양이다. 고리의 지름만 무려 3만 광년이다. 이번 제임스 웹이 관측한 수레바퀴 은하의 절반 정도 크기다. 

 

R5519 은하도 과거 주변의 작은 은하가 가운데를 뚫고 관통하면서 만들어진 것으로 보인다. R5519 은하는 현재 우리 은하에 비해서 무려 50배나 더 왕성하게 별들이 태어나고 있다. 이 역시 갓 정면충돌을 겪고 발생한 충격파로 인해 둥근 고리를 따라 별들이 폭발적으로 태어나고 있기 때문으로 보인다. 고리 형태를 남기는 은하 간 정면충돌은 굉장히 드물다. 그래서 주변 가까운 우주에서도 찾기가 쉽지 않다. 그런데 이런 아주 드문 정면충돌이 빅뱅 직후 머나먼 초기 우주에서부터 적지만 꾸준히 벌어지고 있었다는 아주 놀라운 증거다. 

 

아주 먼 초기 우주에서 발견된 고리 형태의 은하 R5519.

 

이처럼 고리 형태의 은하는 흥미로운 것은 단순히 독특한 모양 때문이 아니다. 우주에서 가장 미스터리한 존재인 중간질량 블랙홀을 가득 품은 현장일 가능성, 그리고 아주 드물게 벌어지는 은하 간 정면충돌의 놀라운 현장이라는 것 때문이다. 

 

한 가지 재밌는 점은 1995년 허블 망원경으로 관측한 이미지와 제임스 웹이 2022년에 관측한 이미지에서 몇몇 별들의 위치가 달라 보인다는 점이다. 어떤 사람들은 그 사이에 수레바퀴 은하가 미세하게 회전한 것으로 생각을 한다. 하지만 그것은 아니다. 두 사진에서 위치가 달라진 별들은 수레바퀴 은하와는 전혀 상관없는 우리 은하의 훨씬 가까운 별들이다. 30년은 지름 6만 5000광년의 거대한 수레바퀴가 회전하는 것을 목격하기엔 턱없이 짧은 시간이다. 

 

제임스 웹이 맡은 가장 중요한 목표 중 하나가 은하 사이에서 벌어지는 충돌 현장을 담는 것이다. 지난번 처음으로 공개된 데이터에는 은하 네 개가 함께 충돌하는 스테판의 오중주가 포함되어 있었다. 그리고 이번에는 또 다른 은하 충돌 현장인 수레바퀴 은하를 바라봤다. 수레바퀴 은하는 중간질량 블랙홀의 존재를 확인하는 역할과 함께 인류의 천문학이 한 걸음 더 굴러갈 수 있게 해주는 놀라운 발견을 쏟아낼 것이다. 

 

제임스 웹은 다양한 모습의 은하 충돌 현장을 앞으로도 계속 관측할 예정이다. 이를 통해 오늘날의 우주가 만들어지기까지 가장 흔하게 벌어졌고 가장 중요한 역할을 한 은하들의 충돌 과정의 비밀을 파헤치게 될 것이다. 앞으로 제임스 웹이 담아낼 은하 간 충돌 현장에는 또 어떤 곳이 있을지 많은 기대가 된다. 개인적으로는 가장 좋아하는 은하 간 충돌 현장 중 하나인 하트 모양의 은하 커플, 더듬이 은하 (NGC4038 & NGC4039)를 담아주길 기대해본다. 

 

하트 모양으로 병합 중인 더듬이 은하. 사진=Data; Subaru, NAOJ, NASA/ESA/Hubble-Assembly and Processing; Roberto Colombari

 

참고

https://www.wikiwand.com/en/Atlas_of_Peculiar_Galaxies

https://www.nationalgeographic.co.uk/history-and-civilisation/2020/05/hittites-fast-war-chariots-threatened-mighty-egypt

https://academic.oup.com/mnras/article/473/1/585/4157288

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4365/aa78a3

https://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/images/cartwheel-galaxy.html

https://www.nature.com/articles/s41550-020-1102-7

https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/514/2/1689/6591601?redirectedFrom=fulltext

https://academic.oup.com/mnras/article/383/1/230/1069139

 

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​

지웅배 과학칼럼니스트 galaxy.wb.zi@gmail.com


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