은하단(galaxy cluster) 돋보기
은하단(galaxy cluster) 돋보기
  • 함예솔
  • 승인 2019.11.27 13:45
  • 조회수 1083
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태초에 생긴 오래된 은하를 발견할 수 있을까요? MIT와 다른 연구기관 소속 천문학자들은 94억년 전으로 거슬러 올라가기 위해 거대한 은하단을 X-선 돋보기로 사용했습니다. 그 과정에서 왜소은하(dwarf galaxy)를 발견했다고 하는데요. 이 연구는 <Nature Astronomy>저널에 게재됐습니다. 

은하단을 돋보기로 쓴다. 출처: MIT
은하단을 돋보기로 쓴다. 출처: MIT

과학자들은 은하단을 광학적 파장(optical wavelengths)에서 물체를 확대할 때 이용하긴 했습니다. 그런데 거대한 중력을 이용해 극도로 멀리 떨어진 곳에서 X-선을 방출하는 현상을 확대시켜 관측한 것은 이번이 처음입니다. MIT연구진이 발견한 건 푸른색 반점으로 보이는 아기 은하들이었는데요. 우리 은하의 약 1/10,000 크기였습니다. 막 첫 번째 항성들을 쏟아내는 중이었습니다. 

  • 왜소은하(dwarf galaxy)란?
우리은하 근처 왜소은하인 대마젤란 은하. 출처: ESA/NASA/Hubble
우리은하 근처 왜소은하인 대마젤란 은하. 출처: ESA/NASA/Hubble

하버드천체물리학연구소(Center for Astrophysics)는 왜소은하를 이렇게 정의합니다. "크기가 작아 어둡게 보이는 은하"라고 말이죠. 왜소은하의 질량은 우리은하보다 100배 정도 작습니다. 다른 은하들과 마찬가지로 우주 전역에 홀로 분포하기도 하지만 거대한 은하 주위를 돌고 있는 경우가 다수라고 합니다. 이처럼 모(母)은하를 공전하는 작은 은하를 학계에선 'dwarf satellite'이라고 명명합니다. 대표적으로 마젤란 은하가 있는데 '대마젤란'과 '소마젤란' 은하가 있습니다. 

MIT의 천체물리학 및 우주연구소의 연구원인 Matthew Bayliss는 "이는 작은 푸른색의 얼룩 같이 보이는데, 최근 형성돼 매우 뜨겁고 거대한 젊은 별들을 포함하고 있다는 걸 의미한다"고 말했습니다. 덧붙여 "이 은하는 우주에서 형성된 최초의 은하와 유사하다"며 "먼 우주에서 지금까지 아무도 X-선으로 본 적이 없다"고 밝혔습니다.

 

Matthew Bayliss는 "이렇게 먼 거리에 있는 하나의 은하를 발견한 것은 과학자들이 은하단을 자연의 X-선 확대경으로 사용할 수 있다는 증거"라고 말했는데요. 그는 태초의 우주 역사에서 극도의 고 에너지 현상을 골라내기 위한 도구로 사용할 수 있다는 설명합니다. Matthew Bayliss에 따르면 이 방법으로 앞으로는 멀리 떨어진 은하를 확대하고 그 안에서 연대 별로 은하를 구별하는 게 가능하다고 하는데요. 5천만년 전 형성된 항성과 2억년 전에 형성된 항성을 서로 분리해 검토하고 분석할 수 있게 되는 셈이죠.


LED 전구 옆, 촛불을 볼 수 있을까?

 

은하단(Galaxy clusters)은 우주 에서 가장 거대한 천체로 수천 개의 은하로 구성돼 있습니다. 이 은하들은 모두 중력을 통해 결합돼 있는데요. 은하단은 매우 거대하고 중력이 너무 강해서 주변의 빛을 휘게 만들고 시공간을 왜곡할 수 있다고 합니다. 마치 코끼리가 그물을 휘게하거나 왜곡시키는 것처럼 말이죠. 과학자들은 그동안 중력렌즈(gravitational lensing)라고 알려진 이 방법을 가지고 은하단을 우주의 돋보기처럼 사용해 왔습니다. 

 

  • 중력 렌즈?
중력렌즈를 활용해 이렇게 먼 거리의 천체를 본다.&nbsp;
중력렌즈를 활용해 이렇게 먼 거리의 천체를 본다.

은하단의 중력은 거대한 렌즈처럼 기능하는데요. 이 렌즈는 너무 멀리 있어 때론 어떤 방법으로도 볼 수 없는 희미한 은하의 빛을 모아주고 확대시켜줍니다. 중력으로 인해 시공간이 휘어지면서 발생하는 중력렌즈 현상을 이용하면 우리는 망원경 없이 먼 우주의 많은 부분을 볼 수 있습니다. 이는 오래된 은하를 발견하는 데 유용하게 사용될 수 있습니다. 먼 은하의 빛이 우리를 향해 이동할 때 그 빛은 가까운 곳에 위치한 은하를 지나면서 휘어지고 초점을 맞춥니다. 때때로 이것은 먼 은하의 왜곡된 호(arcs)를 만들기도 합니다. 여러 개의 이미지를 만들기도 합니다.

예를 들어, 은하단을 마주보고 있는 관측자가 은하단 뒤에서 하나의 은하와 같은 물체를 탐지하려고 한다고 상상해 보세요. 그 천체에서 방출되는 빛은 은하단을 향해 곧장 이동할 겁니다. 그런 다음 은하단 주변으로 빙 돌아서 휘어지게 됩니다. 이렇게 왜곡된 빛은 다른 각도로 관찰자를 향해 계속 이동할 겁니다. 그러면 관잘자는 동일한 천체의 모습을 거울에 비친 상의 이미지로 전달받게 됩니다. 그러나 결국 이 이미지들은 합쳐지는데요. 하나의 확대된 이미지로 관찰자에게 나타나게 됩니다. 


과학자들은 은하단을 광학적 파장에서 천체를 확대할 때 사용해왔습니다. 전자기 스펙트럼의 X-선 영역에서는 결코 사용한 적이 없었습니다. 왜냐하면 은하단 자체가 주로 엄청난 양의 X-선을 방출하기 때문인데요. 그래서 과학자들은 그동안 은하단 뒤에 있는 천체에서 나오는 어떤 X-선도 은하단의 X-선과 구별하는 것은 불가능할 거라고 여겼습니다. Matthew Bayliss는 "은하단 뒤에 있는 천체에서 나오는 X-선을 보려고 하는 건 정말 밝은 빛 옆에 있는 촛불을 보려고 하는 것과 같았다"며 "그래서 우리는 이 방법이 매우 어려운 측정이란 걸 알고 있었다"고 전했습니다. 

 

X-선 구별하기

 

연구원들은 과연 은하단의 밝은 빛을 빼내서 그 뒤의 촛불을 볼 수 있을까? 궁금했습니다. 즉, 은하단으로부터 오는 X-선 방출을 제거해 은하단 뒤에서 오는 훨씬 더 희미한 X-선을 보는 것이 가능할까요?

NASA의 찬드라 X-선 우주망원경(Chandra X-ray Observatory). 출처: NASA/CXC
NASA의 찬드라 X-선 우주망원경(Chandra X-ray Observatory). 출처: NASA/CXC

이에 연구원들은 전 세계에서 가장 강력한 X-선 우주 망원경 중 하나인 NASA의 찬드라 X-선 우주망원경(Chandra X-ray Observatory)으로 이 아이디어를 실험했습니다. 특히 지구에서 57억 광년 떨어진 먼 곳에 위치한 은하단, 피닉스 은하단(Phoenix cluster)에 주목했습니다. 이 은하단의 측정값을 살펴본 결과 이 은하단은 태양보다 약 1,000조 배나 더 큰 것으로 추정되며 중력 효과가 강력해 자연의 돋보기가 될 것 같았습니다. 

 

연구원들은 찬드라 X-선 우주망원경(Chandra X-ray Observatory)이 한 달 이상 연속적으로 찍은 피닉스 은하단의 관측값을 분석했습니다. 또한 광학 및 적외선 망원경인 허블우주망원경(the Hubble Space Telescope)과 거대마젤란망원경(the Magellan telescope)의 이미지도 살펴봤습니다. 연구원들은 이 모든 것을 종합해 은하단 자체의 X-선 방출을 정밀하게 측정하고 데이터에서 이를 모두 뺄 수 있는 모델을 개발해냈습니다. 

 

연구원들은 은하단 주변에서 나타나는 두 개의 유사한 패턴의 X-선만을 남겨뒀는데요. 은하단에 의해 중력적으로 구부러졌다는 판단입니다. 이후 연구진은 이 방출된 X-선의 시간을 추적해 거슬러 올라가보았는데요. 대략 우주가 44억살이었을 때, 그러니까 지금으로부터 약 94억년 전에 만들어진 작은 왜소은하를 발견했습니다. 이는 은하단 뒤에 숨어있던 왜소은하를 60배 확대해 본 것이었는데요. 이 해상도에서 연구진들은 은하단과 그 뒤에 왜소은하를 구별해 낼 수 있었습니다.  

 

일반적으로 X-선은 극단적으로 짧은 기간동안 생성됩니다. 때문에 연구원들은 최초의 X-선이 매우 최근에 초질량의 항성을 형성한 왜소은하의 일부에서 나온 것으로 추측했습니다. Matthew Bayliss는 "모든 은하는 이 단계에서 출발하지만 우리은하 주변에서는 이런 종류의 은하를 많이 보지 못한다"며 "이제 우리는 과거로 돌아가 더 먼 우주를 보고 그들의 생애의 초기 단계 때 은하를 찾아 그곳에서는 항성이 형성되는 게 어떻게 다른지 연구할 수 있다"고 전했습니다. 

 


##참고자료##

 

 


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