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'우주 거미줄'을 찾는 인류

우주론 이론에 따르면 은하계 대부분은 암흑 물질로 이루어진 우주 그물망에 둘러싸여 있는것으로 알려져있다. 즉, 우주에 존재하는 수많은 은하들이 어떠한 그물망 구조를 따라서 모여 분포하고 있는데, 이를 우주 필라멘트(Cosmic Filament)라고 부른다. 이런 필라멘트들은 서로 얽혀있으며 '우주 거미줄(Cosmic Web)'을 이루고 있는 것으로 예측되고 있다.

지난 2014년, 산타크루즈 캘리포니아 대학교와 하이델베르크 막스 플랑크 천문학 연구소의 천문학자들은 퀘이사가 우주에 존재하는 우주 거미줄을 밝히는 "우주 손전등(cosmic flashlight)" 역할을 담당할 수 있다는 사실에 기반하여 이러한 네트워크의 일부 이미지를 직접 관측했다고 보고한 바 있다.

구경 10 m를 자랑하는 하와이의 켁 망원경(Keck)의 관측결과에 따르면 약 100억 광년 떨어진 곳에 위치해 있는 퀘이사는 200만 광년 크기의 가스 구름을 비추고 있으며, 차가운 가스 구름을 드러내기에 딱 맞는 방향으로 빛을 비추고 있다. 그리고 빛나는 가스 구름은 근본적인 암흑 물질의 필라멘트처럼 보인다. © S. CANTALUPO (UCSC)

구경 10 m를 자랑하는 하와이의 켁 망원경(Keck)의 관측결과에 따르면, 약 100억 광년 떨어진 곳에 위치해 있는 퀘이사(즉 매우 활동적인 초대질량 블랙홀)는 200만 광년 크기의 가스 구름을 비추고 있으며, 차가운 가스 구름을 드러내기에 딱 맞는 방향으로 빛을 비추고 있다. 그리고 빛나는 가스 구름은 근본적인 암흑 물질의 필라멘트처럼 보인다.

필라멘트 관측을 통한 암흑물질의 연구

지난 십수년간 우주론 천문학자들은 "우주론의 표준 모델"을 구축하기 위해 플랑크 우주망원경과 같은 우주론 연구 망원경에 의해서 관측되고 기록된 초기의 우주에 해당하는 우주 마이크로파 배경 결과를 기본으로 우주 구조에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 실행해 왔다. 천문학자들의 계산에 따르면 우주가 성장하고 형성됨에 따라 물질은 중력의 힘에 의해서 거대한 우주 거미줄처럼 필라멘트와 마디로 뭉쳐지게 된다고 한다.

지난 십수년간 우주론 천문학자들은 우주 구조에 대한 컴퓨터 시뮬레이션을 실행해 왔다. © A. Klypin/J. Primack/S. Cantalupo

앞선 설명과 같이 표준 모델이 제안하는 우주 거미줄은 주로 신비한 암흑 물질로 구성되어 있다. 하지만 암흑 물질은 어떤 파장의 빛이나 입자들과도 상호작용하지 않거나 혹은 매우 적은 수준으로 상호작용한다. 따라서 일반적이고 보다 직관적인 천문학 관측 수단인 전자기파를 통한 관측은 불가능하다. 하지만, 질량이 있는 곳에 반드시 존재하는 중력을 통한 관측을 통해서 이의 존재를 간접적으로 유추할 수 있다. 암흑 물질의 거대한 질량 덩어리는 중력 렌즈라고 불리는 과정을 통해 가까이 지나가는 빛을 굴절시키며, 이를 관측할 수 있기 때문이다. 물론 위 방법으로도 아주 먼 암흑 물질을 관측하기 어렵고, 차가운 일반 물질도 검출하기가 매우 까다롭다.

이번 관측은 먼 퀘이사에 의해 비춰져 빛나고 있는 수소를 통해서 암흑 물질의 기본 필라멘트를 추적한 결과이며, 우주 거미줄의 구성성분인 차가운 가스를 직접 관찰 한 최초의 연구이다. 따라서 위 연구에서 착안할 수 있는 점은 암흑물질이나 우주론 연구에 전자기파를 통한 관측이 이용될 수 있다는 점이다. 이에 천문학자들은 현존하는 가장 강력한 우주망원경인 제임스 웹에 또다른 기대를 보내고 있다.

제임스 웹의 눈으로 관측한 우주의 거대 구조 - 우주 필라멘트

제임스웹 우주망원경팀 관측팀은 6월말 약 130억 광년 거리에 있는 우주 필라멘트를 관측했음을 보고했다. 이는 우주가 태어난 지 겨우 8억 3천만년 정도 지난 후에 존재하는 천체 물질이며 일정한 패턴의 반복등을 통해서 우주 필라멘트의 관측이 성공했음이 확인되었다.

© NASA, ESA, CSA, Feige Wang (University of Arizona)

우주 필라멘트를 관측한 결과를 발표했다. 오른쪽 사진에서 8개의 흰색 동그라미로 표시한 10개의 은하들은 (동그라미 중 2개는 각각 2개의 은하가 들어있음) 거리가 비슷한데다 일렬로 쭉 늘어선 모양을 볼 때 우주 필라멘트의 일부가 분명하다. 이 필라멘트의 길이는 최소한 3백만 광년 정도 되는데, 시간이 지나면 수백, 수천 개의 은하가 모인 거대 은하단으로 진화할 것으로 예상된다.

이 나침반 이미지는 ASPIRE 프로그램을 통해서 제임스 웹 우주망원경 근적외선 카메라(NIRCam)로 촬영한 깊은 은하계를 보여주고 있다. 오른쪽 하단에는 하늘에서 이미지의 방향을 나타내는 나침반 화살표가 있으며 이미지 아래에는 결과 사진을 구성하는 데 사용된 근적외선 카메라 필터와 각 필터에 할당된 가시광선 색상을 보여주는 색상 키가 나열되어 있다. 이 은하계에는 J0305-3150이라는 퀘이사가 포함되어 있으며, 이 퀘이사의 밝기는 무려 위 퀘이사의 모은하보다 더 밝다.

위 깊은 은하계는 대각선 실 모양의 선으로 표시된 8개의 흰색 원으로 표시된 10개의 먼 은하 배열을 보여주고 있다. 위 흰색원 중 두 원에는 은하가 두 개 이상 포함되어 있다. 위 필라멘트의 길이는 자그마치 300만 광년 정도의 길이이며 매우 멀고 밝게 빛나는 퀘이사를 가진 은하에 의해 고정되어 있다. J0305-3150이라고 불리는 이 퀘이사는 이미지의 오른쪽에 있는 세 개의 원으로 이루어진 성단 가운데에 나타나고 있으며 표시된 10 개의 은하는 빅뱅 이후 불과 8 억 3 천만 년 후에 존재했기에, 연구팀은 이 필라멘트가 결국 거대한 은하단으로 진화할 것이라고 주장했다.