(Horizontal split down the middle. At left, thousands of overlapping objects at various distances are spread across this galaxy cluster. A box at bottom right is enlarged on the right half. A central oval identifies the Firefly Sparkle galaxy, a line with 10 dots in various colors. Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, C. Willott (NRC-Canada), L. Mowla (Wellesley College), K. Iyer (Columbia))
(The Firefly Sparkle is a redshift zspec = 8.296 ± 0.001 gravitationally magnified arc lensed by the MACS J1423.8 + 2404 cluster. Credit: Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08293-0)
과학자들이 제임스 웹 우주 망원경과 중력 렌즈의 도움으로 빅뱅 직후 6억년 밖에 지나지 않은 우주의 극초기에 은하를 상세히 관측하는데 성공했습니다. 반딧불이처럼 희미하게 빛나는 파이어플라이 스파클 (Firefly Sparkle) 은하는 우리 은하의 초기 모습과 거의 비슷할 것으로 추정됩니다.
현재 이 은하의 질량은 매우 작은 편이지만, 우리 은하 역시 초기에는 이렇게 작은 은하에서 시작해서 새로운 별이 생기고 주변 은하와 합체해서 현재와 같은 대형 은하로 성장한 것으로 보고 있습니다. 과학자들은 과거로 돌아갈 순 없지만, 멀리 떨어진 우주 초기 은하를 관측해 그 사실을 알아내고 우리 은하가 어떻게 성장하고 진화했는지 밝혀내고 있습니다.
기본적으로 멀리 떨어진 은하는 빛이 지구에 도달하는 시간 만큼 오래전 모습을 보는 것이기 때문에 초기 은하의 모습을 연구하는데 중요한 정보를 제공합니다. 하지만 빅뱅 직후 6억년 밖에 지나지 않을 정도로 먼 우주는 제임스 웹 우주 망원경의 힘으로도 쉽게 관측이 어렵습니다. 이때 과학자들을 돕는 것이 바로 중력 렌즈입니다. 아인슈타인의 상대성 이론에서 예언한 중력 렌즈는 은하나 은하단 같은 천체의 중력에 의해 빛이 휘어서 렌즈 같은 현상이 일어나는 것으로 현재 천문학자들에게 중요한 연구 도구가 되고 있습니다.
그런데 중력 렌즈는 인간이 만든 렌즈처럼 완전한 곡면이 아니고 울퉁불퉁하게 생길 수밖에 없어 초점이 정확히 맞지 않는 경우가 많습니다. 상이 몇 개씩 생기기도 하고 길게 늘어나기도 하지만, 오히려 이것이 과학자들을 돕는 경우도 많습니다. 이번에 관측한 파이어플라이 스파클 은하도 마찬가지입니다. 이 은하는 옆으로 길쭉하게 늘어났는데, 덕분에 과학자들은 이 은하에 있는 초기 성단 (star cluster)의 모습을 줄지어 날아가는 반딧불이처럼 분리해서 확인할 수 있습니다.
초기 은하에서도 별들은 모든 장소에서 비슷한 비율로 생성되는 것이 아니라 가스 밀도가 높은 곳에서 집중적으로 생성됩니다. 이번 연구는 극초기 은하도 마찬가지라는 사실을 보여줬습니다. 연구팀은 별이 집중적으로 생성되는 성단을 10개나 찾아내는데 성공했습니다. 중력 렌즈로 인해 은하가 길게 늘어나지 않았다면 확인할 수 없었던 부분입니다.
두 번째 중요한 관측 결과는 이 은하가 주변의 다른 은하와 인접해서 충돌 코스에 들어섰다는 것입니다. 가장 가까운 은하와의 거리는 6500광년이고 두 번째는 42000광년으로 모두 우리 은하 지름인 10만 광년 이내에 있습니다.
과학자들은 중력렌즈와 제임스 웹 우주 망원경 덕분에 많은 사실들을 알아내고 있습니다. 앞으로도 계속해서 이를 용해서 새로운 과학적 성과가 계속 쏟아져 나올 것으로 기대합니다.
참고
https://phys.org/news/2024-12-firefly-newly-galaxy-mirrors-milky.html
Lamiya Mowla, Formation of a low-mass galaxy from star clusters in a 600-million-year-old Universe, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08293-0. www.nature.com/articles/s41586-024-08293-0
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