어떤 은하들은 많은 수의 다른 은하들과 가까이 위치해 있습니다. 은하들의 밀도가 높은 아주 밀집된 환경이죠. 은하단(galaxy cluster)라고 부릅니다. 반면이 사실상 고립된(isolated) 상태에 위치한 은하들도 발견이 되는데요. 그들 주변에는 거의 또는 전혀 다른 은하들은 찾을 수 없었습니다.
새로운 연구에 따르면, 이러한 상이한 환경에 있는 은하들 사이에 큰 차이가 있음이 발견됐습니다. 더 많은 이웃을 가진 은하들은 비슷한 형태와 질량을 가지고 있지만 덜 밀집된 환경에 있는 은하들보다는 더 큰 경향이 있다는 것입니다. 최근, 워싱턴 대학교, 예일 대학교, 독일 포츠담에 있는 라이프니츠 천체물리학 연구소, 일본 와세다 대학교의 연구자들은 우주의 밀집된 지역에서 발견된 은하들이 고립된 은하들보다 최대 25% 더 크다는 사실을 밝혀냈는데요.
수백만 개의 은하를 분석하기 위해 연구진은 새로운 기계 학습(machine learning)툴을 이용했습니다. 그리고 은하의 크기와 환경 간의 관계에 대한 천체물리학자들 사이의 오랜 논쟁을 해결하는 데 도움을 주는 단서를 찾았습니다. 또한, 이번 연구를 통해수십억년동안의 은하 탄생과 진화에 대한 새로운 질문을 탄생하게 만들었는데요.
워싱턴 대학교 천문학 박사후 연구원 겸 LSST-DA Catalyst Fellow이자 DiRAC 연구소(DiRAC Institute)의 연구원인 주요 저자 아리트라 고쉬(Aritra Ghosh)는 “현재의 은하 형성과 진화 이론은 밀집된 지역의 은하들이 우주의 덜 밀집된 지역에 있는 동일한 은하들보다 크다는 사실을 적절히 설명할 수 없습니다,”라고 전하며 “이것이 천체물리학의 가장 흥미로운 점 중 하나입니다. 이론이 예측하는 바와 실제 조사 결과가 일치하지 않을 때가 종종 있으며, 이때 우리는 기존 이론을 수정하여 관찰 결과를 더 잘 설명하려고 합니다.”라고 덧붙였습니다.
과거 연구에서 은하의 크기와 환경 간의 관계의 결과는 서로 모순됐습니다. 일부 연구는 클러스터 내의 은하들이 고립된 은하들보다 작다고 결론지었고, 다른 연구들은 그 반대의 결론에 도달했습니다. 이러한 연구들은 일반적으로 수백 또는 수천 개의 은하를 기반으로 한 작은 규모의 연구였는데요.
이번 새로운 연구에서 고쉬와 그의 동료들은 하와이에 있는 스바루 망원경(Subaru Telescope)을 통해서 수백만 개의 은하를 조사했습니다. 하이퍼 수프림-캠 스바루 전략 프로그램(Hyper Suprime-Cam Subaru Strategic Program)의 각 은하의 고품질 이미지를 활용한 것인데요. 연구팀은 가장 고품질의 데이터를 가진 약 300만 개의 은하를 선택했고, 기계 학습 알고리즘을 사용해 각 은하의 크기를 결정했습니다. 다음으로, 각 은하 주위에 반지름이 3천만 광년인 원을 그리고 이 원을 은하의 이웃으로 설정했습니다. 그 다음 질문은 간단했습니다. 그 원 안에 몇 개의 이웃 은하가 존재하는가?
결과는 명확한 경향성을 보였습니다. 더 많은 이웃을 가진 은하들은 평균적으로 더 큰 은하였습니다.
그 이유는 여러 가지일 수 있는데요. 아마도 밀집된 클러스터의 은하들이 처음 형성될 때부터 단순히 더 크거나, 가까운 이웃과의 효율적인 병합(merger)을 더 많이 겪을 가능성입니다. 우주의 대부분을 차지하지만 현재로썬 직접 감지할 수 없는 신비한 물질인 암흑 물질(dark matter)이 원인일 수도 있습니다. 현대우주론의 해석으로는 은하는 개별적인 암흑 물질 ‘헤일로(halo)’ 내에서 형성되며, 그 헤일로의 중력은 은하가 어떻게 진화하는지에 중요한 역할을 합니다.
“이론 천체물리학자들은 더 많은 이웃을 가진 은하들이 왜 더 큰 경향이 있는지를 결정적으로 규명하기 위해 시뮬레이션을 사용해 더 포괄적인 연구를 수행해야 할 것입니다,”라며 “현재로서는 은하의 환경과 크기 사이의 이러한 관계가 존재한다는 것에 대해 확신할 수 있는 것이 최선입니다.”라고 고쉬는 말했습니다.
연구에 사용된 기계 학습 툴은 'GaMPEN(Galaxy Morphology Posterior Estimation Network)'인데요. 고쉬가 예일 대학교 박사과정 학생으로서 GaMPEN의 개발을 주도했습니다. 이는 온라인에서 무료로 이용 가능한데요. 2022년과 2023년에 Astrophysical Journal에 발표된 논문에서 처음 공개됐습니다.
이번 연구는 은하에 초점을 맞추고 있지만, 또한 엄청난 양의 대규모 데이터 세트를 중심으로 한 복잡한 분석 연구들이 곧 천문학에 혁신을 가져올 것임을 암시하는데요. 칠레의 베라 C. 루빈 천문대(Vera C. Rubin Observatory)를 포함한 강력한 카메라를 장착한 새로운 세대의 망원경들이 가동되면, 매일 밤 우주에 대한 방대한 데이터가 쏟아져 나올 것입니다. 미래를 대비해 과학자들은 GaMPEN과 같은 새로운 도구들을 개발하고 있습니다. 그리고, 이를 통해 천체물리학에서 풀리지 않던 질문들에 답할 수 있는 대규모 데이터 세트를 분석 하게 될 것입니다.
이번 연구 결과는 'Astrophysical Journal'에 게재됐습니다.
