[비즈한국] 최근 유클리드 우주망원경으로 촬영한 우리 은하 중심부의 초고해상도 이미지가 공개됐다. 지금까지 가시광선으로 촬영한 우리 은하 중심부 사진 가운데 가장 광범위하고 세밀한 이미지 중 하나다. 공개된 고해상도 파일의 크기는 약 2만 7000×2만 2500픽셀로, 약 6억 화소에 이른다. 하늘에서 차지하는 면적도 지구에서 바라본 보름달 20여 개를 합친 것보다 넓다.
이 한 장의 사진 안에만 6000만 개가 넘는 별이 담겨 있다. 성운과 성단, 검은 먼지구름, 푸른 별들이 새롭게 태어나는 별 탄생 지역도 곳곳에 숨어 있다. 우리가 흔히 은하수라고 부르는 희미한 빛의 띠가 실제로는 얼마나 많은 별과 먼지와 가스로 이루어진 거대한 구조인지를 보여주는 장면이다.
유클리드 우주망원경은 본래 우리 은하를 관측하기 위해 만들어진 망원경이 아니다. 암흑물질과 암흑에너지의 흔적을 찾기 위해 우리 은하 너머 먼 우주의 은하들을 관측하도록 설계된 망원경이다. 그러나 이번에는 시선을 가까운 우주로 돌려, 별이 가장 빽빽하게 모여 있는 우리 은하 중심부를 바라봤다.
이 사진은 3월 23일부터 아홉 차례에 걸쳐 약 26시간 동안 관측한 결과를 모았다. 각각 촬영한 사진을 이어 붙여 거대한 모자이크 이미지를 완성했다. 개별 사진 하나도 보름달보다 넓은 하늘을 담고 있다.
유클리드의 가시광선 카메라는 허블우주망원경의 광시야 카메라와 해상도가 비슷한 수준이면서도, 한 번에 담을 수 있는 하늘의 면적은 허블보다 약 270배 넓다. 같은 영역을 지상의 대형 망원경으로 관측하려면 2000시간 가까이 걸릴 수도 있다.
유클리드가 촬영한 은하 중심부 이미지는 앞으로 발사될 다른 우주망원경에게 중요한 사전 자료이기도 하다. 낸시 그레이스 로먼 우주망원경은 우리 은하 중심부에서 외계행성이 일으키는 미세중력렌즈 현상을 대규모로 탐색할 예정이다.
미세중력렌즈는 외계행성이나 별과 같은 천체가 멀리 있는 배경별 앞을 지나갈 때 나타나는 현상이다. 앞쪽 천체의 중력이 주변 시공간을 휘게 만들면서 배경별의 빛이 확대되고, 그 결과 별의 밝기가 일시적으로 변한다. 이 밝기 변화를 분석하면 외계행성의 존재뿐 아니라 질량까지 추정할 수 있다.
유클리드가 촬영한 이미지에는 이미 알려진 외계행성계 50여 개도 포함됐다. 이번 이미지는 미세중력렌즈 현상이 일어나기 전 배경별들의 위치와 밝기를 기록한 기준 자료가 된다. 시간이 흐른 뒤 로먼 우주망원경의 관측과 비교해 별들의 고유운동을 측정하고, 렌즈 역할을 한 천체와 멀리 떨어진 배경별을 더욱 정확하게 구분할 수 있다.
미세중력렌즈 관측에서는 배경별이 많을수록 유리하다. 렌즈 역할을 할 천체가 배경별 앞을 지나갈 가능성이 그만큼 높아지기 때문이다. 실제로 미세중력렌즈를 이용한 외계행성 탐사는 별이 빽빽하게 모인 우리 은하 중심부를 주로 겨냥한다.
그러나 우리 은하 중심 방향에는 외계행성보다 훨씬 오래된 비밀도 숨어 있다. 우리 은하의 중심 팽대부인 벌지 안쪽에는 테르잔5라고 불리는 천체가 있다. 겉보기에는 수많은 별이 둥글게 모인 평범한 구상성단처럼 보이지만, 최근의 정밀 관측은 테르잔5가 일반적인 구상성단과 역사가 전혀 다를 가능성을 보여준다.
구상성단은 일반적으로 아주 오래된 별들이 구형으로 모여 있는 집단이다. 별이 수십만 개에서 많게는 수백만 개가 매우 좁은 공간에 밀집해 있다. 대부분의 별은 약 100억~130억 년 전에 태어났다. 그래서 구상성단은 우주 초기에 형성된 은하의 화석으로 불린다.
전통적으로 구상성단 안의 별들은 하나의 거대한 가스구름에서 거의 동시에 태어난 형제별로 여겨졌다. 최근에는 여러 구상성단에서 두 세대 이상의 별들이 함께 발견되면서 다중 항성종족이라는 개념이 자리 잡았다. 어쨌거나 구상성단은 은하에 비해 훨씬 단순한 별의 집단으로 인식돼왔다.
테르잔5도 오랫동안 그런 구상성단 가운데 하나로 여겨졌다. 이 천체는 1968년 프랑스에서 활동한 아르메니아계 천문학자 아고프 테르잔이 발견했다. 밝고 무거운 성단이라는 점을 생각하면 상당히 늦게 발견된 셈이다.
발견이 늦어진 가장 큰 이유는 위치다. 테르잔5는 우리 은하 중심에서 약 2킬로파섹밖에 떨어지지 않은 벌지 방향에 놓여 있다. 이 방향에는 배경별이 지나치게 많고, 별빛을 가리는 가스와 먼지구름도 두껍게 분포한다. 별빛이 먼지에 흡수되면서 어두워지고 붉어지는 성간소광이 매우 심해 관측이 까다로운 지역이다.
테르잔5의 질량은 태양 질량의 200만 배를 웃도는 것으로 추정된다. 우리 은하에 존재하는 구상성단 가운데서도 상당히 무거운 편이다. 더욱 놀라운 점은 지금까지 이 천체에서 발견된 밀리초펄사가 40여 개를 넘어 거의 50개에 이른다는 사실이다. 알려진 구상성단 가운데 가장 많은 밀리초펄사를 품고 있는 천체 중 하나다.
밀리초펄사는 1초에 수백 번 회전하는 중성자별이다. 오래된 중성자별이 동반성으로부터 물질을 빨아들이면서 다시 빠르게 회전하게 된 천체로 해석된다. 별의 밀도가 높은 구상성단에서는 별과 별이 가까이 스쳐 지나가거나 서로 동반성계를 교환하는 일이 빈번하다. 테르잔5에 밀리초펄사가 유난히 많은 현상은 이곳이 매우 무겁고 밀도가 높은 환경이었음을 보여준다.
그러나 테르잔5의 진정한 특이성은 별들의 화학 조성에서 드러난다. 일반적인 구상성단에서는 별들의 철 함량이 비교적 균일하다. 비슷한 시기에 같은 가스구름에서 태어난 별들이기 때문에 대체로 비슷한 금속 함량을 갖는다.
테르잔5는 그렇지 않다. 별의 철 함량을 나타내는 지표인 [Fe/H]가 약 -0.8에서 +0.3에 이르는 넓은 범위에 분포한다. 더욱이 철 함량의 분포가 하나의 완만한 봉우리를 이루는 게 아니라 특정 구간마다 별의 수가 증가해 봉우리 여러 개가 나타난다.
이처럼 금속 함량 분포가 넓고 복잡한 경우는 일반적인 구상성단에서는 보기 어려운 특징이다. 이는 테르잔5의 별들이 작은 성단 안에서 거의 동시에 태어난 동년배가 아니라는 뜻이다. 오히려 우리 은하 벌지 자체와 비슷한 화학적 진화의 역사를 겪은 것으로 보인다.
별들의 색과 밝기를 함께 나타낸 색–등급도에서도 같은 단서가 나타난다. 별들은 일생의 대부분을 주계열 단계에서 보내다가 나이가 들면 주계열을 벗어난다. 따라서 서로 다른 시기에 태어난 별들이 함께 존재한다면 주계열에서 벗어나는 위치인 주계열 전향점도 세대마다 다르게 나타난다.
앞서 허블 우주망원경과 유럽남방천문대의 초거대망원경 VLT를 이용한 관측에서는 테르잔5에 적어도 두 세대의 별이 존재한다는 사실이 확인됐다. 한 세대는 약 120억 년 전에 태어난 금속 함량이 낮은 별들이었고, 다른 세대는 약 40억~50억 년 전에 태어난 금속 함량이 높은 별들이었다. 약 70억 년의 시간 차이를 두고 태어난 별들이 한 천체에 함께 존재한 것이다.
최근 제임스웹 우주망원경의 관측은 테르잔5의 항성종족이 이보다 훨씬 복잡하다는 사실을 보여줬다. 제임스웹 우주망원경의 근적외선 카메라 NIRCam은 테르잔5를 근적외선으로 관측했다. 근적외선은 가시광선보다 먼지의 영향을 적게 받기 때문에 은하 중심부처럼 먼지가 두꺼운 지역을 연구하는 데 특히 유리하다.
여기에 20년 이상 축적된 허블 우주망원경의 관측 자료가 결합됐다. 시간 간격을 길게 둔 관측은 별들이 하늘에서 움직이는 고유운동을 측정하는 데 유리하다. 이를 통해 실제로 테르잔5에 속한 별과 우연히 같은 방향에 놓인 벌지의 배경별을 구분할 수 있다.
이 과정은 은하 중심부 연구에서 매우 중요하다. 테르잔5가 놓인 방향에는 배경별이 워낙 많기 때문에 성단 구성원을 정확히 가려내지 않으면 색–등급도가 크게 왜곡될 수 있다. 성단에 속하지 않은 별들이 섞이면 실제로 존재하지 않는 별의 세대가 나타나는 것처럼 보일 수도 있다.
먼지구름의 영향도 위치에 따라 다르다. 같은 관측 영역 안에서도 먼지가 많은 곳에 놓인 별은 더 어둡고 붉게 보인다. 이러한 차등소광을 제대로 보정하지 않으면 나이와 화학 조성이 같은 별들도 서로 다른 집단처럼 나타날 수 있다.
연구진은 고유운동을 이용해 테르잔5에 속한 구성원을 선별하고, 제임스웹 우주망원경의 정밀한 근적외선 관측을 이용해 별 하나하나에 미치는 먼지의 영향을 보정했다. 그 결과 지금까지 가장 정밀한 테르잔5의 색–등급도가 완성됐다.
분석 결과 테르잔5에는 적어도 네 차례에 걸친 별 탄생의 역사가 섞여 있을 가능성이 있다. 가장 오래되고 금속 함량이 낮은 세대는 약 125억 년 전에 태어난 별들이다. 금속 함량이 더 높은 젊은 세대는 약 47억 년 전에 태어났다. 여기에 약 38억 년 전에 형성된 또 다른 세대가 존재하며, 약 25억 년 전까지도 새로운 별이 형성됐을 가능성이 제기됐다.
테르잔5는 모든 별이 한꺼번에 태어난 평범한 구상성단이 아니었던 셈이다. 약 125억 년 전 첫 별들이 태어난 이후 47억 년 전과 38억 년 전에도 새로운 별들이 만들어졌으며, 어쩌면 25억 년 전까지 별이 태어났을 수 있다. 수십억 년의 간격을 두고 여러 차례 별 탄생이 반복된 것이다.
평범한 구상성단에서는 이런 역사를 기대하기 어렵다. 첫 번째 세대의 무거운 별들이 초신성으로 폭발하면 남아 있던 가스가 성단 밖으로 밀려난다. 질량이 작은 성단이라면 몇 차례의 초신성 폭발만으로도 대부분의 가스가 중력권 밖으로 날아간다. 이후에는 새로운 별을 만들 재료가 사라지고, 첫 세대의 별들만 남아 서서히 늙어간다.
테르잔5는 달랐던 것으로 보인다. 초기 질량이 충분히 크고 중력도 강해서 별들이 방출한 가스와 화학 원소를 붙잡았을 가능성이 크다. 기존 별에서 만들어진 철과 무거운 원소가 완전히 빠져나가지 않고 남아 다음 세대 별의 재료가 됐을 수 있다. 작은 구상성단이라기보다 독립적인 화학 진화를 수행한 거대한 항성계에 가까운 모습이다.
이 때문에 천문학자들은 테르잔5를 단순한 구상성단이 아니라 우리 은하 벌지의 화석 조각으로 해석한다. 테르잔5가 우리 은하 벌지를 형성한 원시적인 빌딩 블록 가운데 하나였을 가능성이 있다는 뜻이다.
현재 우리가 보는 우리 은하 중심부가 처음부터 매끈한 하나의 구조로 형성된 게 아닐 수 있다. 초기 우주의 은하 원반에는 가스가 풍부했고 난류도 강했다. 이러한 원반이 중력적으로 불안정해지면서 태양 질량의 1억~10억 배에 이르는 거대한 가스 덩어리들이 형성됐을 수 있다.
이 덩어리들은 서로 중력적으로 상호작용하면서 은하 중심부로 이동했을 것이다. 중심에 도달한 덩어리들은 서로 합쳐지고 뒤섞이며 벌지를 만들었을 가능성이 크다. 그러나 모든 덩어리가 완전히 파괴되고 섞인 것은 아닐 수 있다. 일부는 지금까지도 독립적인 천체로 살아남았을 수 있다.
테르잔5가 바로 그런 생존자일 가능성이 있다. 우리 은하 벌지가 만들어질 때 함께 형성된 원시적인 조각이었지만 다른 덩어리들과 완전히 합쳐지지 않은 채 수십억 년 동안 살아남은 화석일 수 있다. 테르잔5 안에 남아 있는 여러 세대의 별과 복잡한 금속 함량은 우리 은하 중심부가 형성되던 초기 역사 일부를 보존하고 있는 셈이다.
테르잔5가 우리 은하 바깥을 떠돌다 유입된 왜소은하의 잔해일 가능성도 생각할 수 있다. 우리 은하의 여러 구상성단이 실제로는 과거 우리 은하에 흡수된 왜소은하의 핵이나 잔해였다는 사실이 밝혀졌기 때문이다.
그러나 테르잔5의 궤도는 외부 기원보다는 내부 기원을 지지한다. 복원된 궤도에 따르면 테르잔5는 우리 은하 중심에서 가장 멀어져도 2.8킬로파섹 정도에 머문다. 은하면에서 크게 벗어나지 않은 채 은하 중심부에 바짝 붙은 작은 궤도를 그린다. 이는 테르잔5가 우리 은하 바깥에서 들어왔다기보다 처음부터 우리 은하 안쪽에서 형성됐을 가능성을 뒷받침한다.
테르잔5에 밀리초펄사가 유난히 많은 이유도 이러한 기원과 연결해 이해할 수 있다. 밀리초펄사가 많이 만들어지려면 먼저 중성자별이 많아야 한다. 이를 위해서는 초기 테르잔5에서 무거운 별들이 대량으로 태어나 초신성 폭발을 일으켜야 한다.
초신성 폭발로 만들어진 중성자별을 성단 안에 붙잡아둘 만큼 중력도 강해야 한다. 이후 별들이 빽빽한 환경에서 동반성의 교환과 근접 상호작용이 반복되면 중성자별은 새로운 동반성으로부터 오랫동안 물질을 공급받을 수 있다. 이 과정에서 회전 속도가 빨라진 중성자별이 밀리초펄사로 다시 태어난다.
결국 테르잔5는 단순히 조금 무거운 구상성단 하나가 아니다. 우리 은하 중심 벌지가 어떤 과정을 거쳐 형성됐는지를 보여주는 중요한 화석이다.
현재 천문학자들은 테르잔5와 비슷한 또 다른 벌지의 화석 조각 후보를 찾고 있다. 대표적인 천체가 우리 은하 중심에서 약 800파섹 떨어진 릴러1이다. 이 천체에서도 약 120억 년 된 오래된 별과 약 10억~30억 년 전에 태어난 젊은 별들이 함께 발견됐다.
우리 은하 벌지에 존재하는 천체 가운데 일부는 지금까지 구상성단으로 분류됐지만, 실제로는 벌지를 형성하고도 완전히 해체되지 않은 원시 조각일 가능성이 있다. 겉보기에는 둥글게 모인 별의 집단이지만, 그 안에는 하나의 구상성단으로 설명하기 어려운 복잡한 별 탄생과 화학 진화의 역사가 남아 있을 수 있다.
최근의 연구는 구상성단에 대한 전통적인 인식을 여러 방향에서 바꾸고 있다. 과거에는 구상성단을 우주 초기에 한꺼번에 태어난 단순한 별의 집단으로 생각했다. 그러나 일부 구상성단은 우리 은하 바깥에서 유입된 왜소은하의 잔해이며, 일부는 테르잔5처럼 우리 은하 벌지가 만들어질 때 살아남은 원시 화석일 수 있다.
일부 구상성단의 중심에는 중간질량 블랙홀이 숨어 있을 가능성도 제기되고 있다. 또 구상성단의 형성과 진화 과정에서 암흑물질이 어떤 역할을 했는지를 밝히려는 연구도 이어지고 있다. 구상성단은 더 이상 단순한 오래된 별의 집단만으로 설명할 수 없는 천체가 됐다.
유클리드가 보여준 6000만 개가 넘는 별로 가득한 우리 은하 중심부의 모습은 그 자체로 장관이다. 그러나 그 별들의 바다를 자세히 들여다보면 우리 은하가 형성되던 시기의 흔적이 곳곳에 남아 있다는 사실을 알 수 있다.
가장 오래된 우주의 비밀이 언제나 가장 먼 우주 끝자락에만 존재하는 것은 아니다. 때로는 수많은 별빛과 먼지구름에 가려진 우리 은하 중심부에 숨어 있다. 테르잔5는 우리 은하의 어린 시절을 품은 채 지금까지 살아남은 화석 조각이다. 우리가 그 별들을 바라본다는 것은 곧 우리 은하가 처음 모습을 갖추던 시절의 잔해를 바라보는 일이다.
참고
https://science.nasa.gov/asset/webb/bulge-fossil-fragment-terzan-5-webb-and-hubble-image/