우주의 근본적인 질문

최초의 별과 은하는 어떻게 형성되었을까? 이는 우주의 근원을 파헤치기 위한 물리학의 근본적인 질문이며, 천문학에서 풀리지 않는 미스터리 중 하나이다. 제임스 웹 우주망원경은 크게 초기 우주에 대한 신비를 풀 목적과 외계 행성에 대한 심도 있는 연구 두 가지를 주목적으로 시작된 망원경인 만큼 앞선 질문에 대한 새로운 통찰력과 정보를 제공해 주고 있다.

제임스 웹이 본격적으로 활동을 시작한 2022년 시작된 첫 과학 프로그램 들 중 가장 큰 규모를 자랑하고 있는 JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey: 제임스 웹 심우주 은하 조사) 프로그램은 약 32일이라는 (제임스 웹 망원경의 관측치고는 상당히 긴 시간) 장시간 관측 연구를 바탕으로 희미하고 먼 은하를 발견하고 이들의 특징을 알아내는 연구이다. 여전히 제임스 웹의 자료는 계속해서 지구로 송신되고 있지만 제임스 웹 JADES 팀은 이미 우주가 6억 년이 채 되지 않았을 때 존재했던 수백 개의 은하를 발견한 바 있다. 제임스 웹 이전에는 우주의 나이가 6억 5천만 년보다 젊었을 때 존재하던 은하들, 즉 적색편이 8 이상으로 관측된 은하들이 수십 개에 불과했지만, JADES 팀은 이제 거의 천 개에 달하는 극도로 먼 은하를 계속해서 발견 중이다. (고해상도 사진 보러 가기)

위 결과는 뉴멕시코주 앨버커키에서 열린 제242차 미국 천문학회 회의에서 처음 공개된 사진이다. 위 사진에는 나침반 화살표, 눈금 막대 및 참조용 색상 키가 표시되어 있다. 북쪽 및 동쪽 나침반 화살표는 하늘에서 바라볼 때 이미지의 방향을 나타내며 아래에서 바라볼 때는 북쪽과 동쪽 관계가 반전된다. 눈금 막대의 크기는 대략 50 아크초이다. 위 사진은 눈에 보이지 않는 근적외선 파장의 빛을 가시광선 색상으로 변환하여 보여주고 있는데 색상 키는 빛을 수집할 때 사용된 NIRCam 필터를 나타낸다. 위 관측 결과에서 보이는 파란색, 녹색, 빨간색은 각각 0.9, 1.15, 1.5 마이크로미터 (F090W, F115W, F150W 필터 사용), 2.0, 2.77, 3.55 마이크로미터 (F200W, F277W, F335M 필터 사용), 3.56, 4.1, 4.44 마이크로미터 파장(F356W, F410M, F444W 필터 사용)으로의 관측으로 얻어진 사진에 해당색을 채색한 사진이다.

이 적외선 이미지는 허블 우주 망원경과 다른 망원경 및 천문대들에서 자주 관측 연구된 GOODS-South로 알려진 하늘 영역의 일부를 보여준다. GOODS 지역은 미항공우주국(NASA)의 위대한 심우주 관측 프로그램(Great Observatories Origins Deep Survey), 즉 허블 우주망원경, 스피처 우주망원경, 찬드라 X-선 천문대 등 NASA의 심우주 관측 데이터와 유럽우주국(ESA)의 XMM 뉴턴 등 다른 우주 기반 망원경 및 지상 기반 망원경(주로 키트 피크 국립 천문대의 4m 망원경)의 광학, 근적외선, 엑스선 관측 천문학적 조사가 자주 수행된 지역을 뜻한다. 즉, GOODS는 천문학자들이 먼 초기 우주에서 은하의 형성과 진화를 연구하기 안성맞춤인 우주 일부 지역을 뜻하는데, 주로 허블 딥 필드 북쪽(12시간 36분 55초, +62° 14분 15초)과 찬드라 딥 필드 남쪽(3시간 32분 30초, -27° 48분 20분)을 중심으로 10' x 16' 크기의 두 개의 필드로 구성되어 있다. 이 중 찬드라 딥필드 남쪽을 GOODS-South라 일컫는다. 이곳에는 최소 수만개 이상의 은하가 밀집해 있기에 우주에서 가장 풍부한 별과 은하를 관측할 수 있는 장소 중 하나이다.

은하와 적색편이 현상을 통한 우주의 역사 파악

제임스 웹 우주망원경으로 촬영한 사진에서도 대략 45,000개 이상의 은하가 관측되고 있다. 애리조나 대학교의 마르시어 리케 박사(Dr. Marcia Rieke)는 JADES 프로그램을 통해서 초기 은하는 어떻게 자신의 모습을 갖추게 되었는지, 또한 얼마나 빨리 별이 생성되었으며, 왜 일부 은하는 별 형성을 멈추었는지에 대한 대답을 제공해 주리라 기대된다고 밝혔다.

멀리 떨어진 은하에서 오는 빛은 우주의 팽창으로 인해 더 긴 파장으로 늘어나는데, 이를 적색편이라고 부른다. 천문학자들은 은하의 적색편이를 측정함으로써 은하가 얼마나 멀리 떨어져 있는지, 따라서 언제부터 존재했는지 알아낼 수 있다. 이러한 적색편이를 결정하고 계산하는 방법은 대표적으로 은하의 스펙트럼을 살펴보는 방법이 있는데, 제임스 웹은 한 번에 수천 개 이상의 은하 적색 편이값을 계산할 수 있다.

애리조나 대학교의 케빈 헤인라인 박사(Dr. Kevin Hainline)와 관측팀은 근적외선 카메라(NIRCam) 장비를 사용하여 광도 적색편이(photometric redshifts)라 부르는 측정값을 얻었으며, 이를 통해 우주가 3억 7천만 년에서 6억 5천만 년 사이에 존재했던 700개 이상의 후보 은하를 식별해 냈다. 이 은하들의 수는 제임스 웹이 발사되기 전 예측했던 숫자보다 훨씬 더 많았으며, 이는 제임스 웹의 정교한 해상도와 민감도 덕분이다. 헤인라인 박사는 이전에 우리가 볼 수 있었던 가장 초기의 은하들은 작은 얼룩처럼 보였지만, 이제 그 얼룩은 우주 초기에 수백만 또는 수십억 개의 별로 이루어졌음이 밝혀지고 있다고 설명한다.

연구를 이끈 텍사스 대학교의 라이언 엔슬리 박사(Dr. Ryan Endsley)는 빅뱅 이후 5억~8억 5천만 년 동안 존재했던 은하에 대한 집중 조사를 진행했다. 중요한 점은 이 시기가 우주가 불투명에서 투명으로 변모한, 즉 '재이온화 시대'로 알려진 매우 중요한 시기라는 점이다. 과학자들은 이 시기에 재이온화된 이유에 대해서 여전히 열띤 논쟁 중인데, 크게 매우 활동적인 초질량 블랙홀이나 젊고 뜨거운 별들로 가득 찬 은하 때문에 일어났다고 예측되고 있다. 만약 후자가 재이온화 현상이 일어난 이유라면  빅뱅이후 우주가 시작되고 긴 암흑의 시간이 흐르면서 마침내 우주에 최초의 별들이 태어나기 시작했고, 이러한 최초의 별과 이들이 모여서 형성한 은하가 방출하는 자외선은 너무 강렬하여 우주 온도를 크게 높이며 주변 모든 원자를 다시 이온화 시켰다고 여겨진다.

엔슬리 박사가 이끄는 연구팀은 위 사진에서 이러한 시기에 존재했던 은하를 매우 많이 찾아냈다. 또한, JADES 프로그램의 일환으로 별 형성의 징후를 찾기 위해 웹의 근적외선 분광기(NIRSpec)로 이 은하들을 자세히 연구했고, 그 결과 별들이 많이 있다는 것을 발견했다. 엔슬리 박사는 새롭게 발견한 거의 모든 은하들이 최근 강렬한 별 형성을 나타내는 비정상적으로 강한 방출선을 보여주고 있다고 설명하며 이러한 초기 은하들은 뜨겁고 거대한 별을 만드는 데 도움을 주고 있는 상황으로 보인다고 설명했다. (관련 기사 바로 보러 가기 - "제임스 웹, 재이온화 및 렌즈 효과에 대해서 연구하다")

연구팀은 또한 이 젊은 은하들 내, 별이 더 적게 형성되는 조용한 시기에 빠른 별 형성 기간을 거쳤다는 증거를 발견했다. 이는 어떠한 이유로 은하가 별을 형성하는 데 필요한 원료들을 포착하며 별 형성을 방해했을 수도 있고 빠르게 생을 마감하는 거대한 별들이 주기적으로 주변 환경에 영향을 미치며 새로운 별 형성하는 것을 방지했을 수도 있다고 여겨진다.