[사이언스] 우주의 '은하 커플'과 '파파라치' 천문학자

[비즈한국] 흔히 ‘우주’라고 하면 떠오르는 감정 중 하나는 고독감이다. 광막한 우주 공간에 혼자 버려진 듯한 공허함과 외로움은 우주를 두렵게 느끼게 한다. 하지만 사실 우주는 그 어느 곳보다 사랑스럽고 로맨틱한 세상으로도 볼 수 있다. 

사실 우주에 있는 많은 별과 은하는 고독한 삶을 살지 않는다. 사람들이 누군가에게 호감을 느끼고 한 쌍의 커플이 되듯, 우주의 많은 별과 은하도 서로의 매력을 느끼고 가까이 다가가 한 쌍의 거대한 커플을 이룬다. 그 사랑의 힘은 바로 ‘중력’이다. 

# 우주 최초의 커플 ‘아담과 이브’ 은하 

그렇다면 우주에서 가장 먼저 중력을 통한 사랑을 시작한 제1호 은하 커플은 누구일까? 

최근 천문학자들은 칠레 아타카마 사막에 위치한 아타카마 거대 전파 망원경 어레이(ALMA, Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)와 허블 우주망원경(HST, Hubble Space Telescope)을 함께 활용해 가장 먼 거리에 떨어져 있는 ‘최초의 커플’ 은하를 새롭게 발견했다. 

이번에 새롭게 확인된 은하 B14-65666은 지구에서 약 130억 광년 떨어져 있다. 이 은하에서 출발한 빛이 지구로 날아오는 데만 무려 130억 년의 시간이 걸린다는 말이다. 우주의 나이가 약 138억 년인 것을 감안하면, 놀라울 정도로 먼 거리다. 우주 역사 전체에서 겨우 6%도 안 되는 짧은 시간이 흘렀던 당시의 은하라는 뜻이다. 빅뱅 직후 우주가 갓 만들어진 지 얼마 되지 않은 우주의 아주 초창기, 우주의 나이가 (천문학적으로) 겨우 8억 살밖에 되지 않은 먼 옛날 존재한 은하인 것이다. 

사실 이미 허블 우주망원경의 관측을 통해 이 ‘겁나먼 왕국’에 살고 있는 천체의 존재는 알려져 있었다. 하지만 허블 우주망원경은 사람의 눈으로 볼 수 있는 가시광선과 이를 약간 벗어난 자외선 빛 일부만 관측할 수 있다. 그래서 당시 허블 우주망원경의 데이터는 이 천체가 먼 거리에 떨어져 있는 두 개의 성단이 각각 북동쪽에 하나, 남서쪽에 하나씩 놓인 채 함께 맞붙은 이중성단일 것이라 추정했다. 

이번에 천문학자들은 이 천체의 정체를 더 정확하게 확인하기 위해 우주 공간을 부유하는 별 먼지의 흔적을 추적할 수 있는 거대한 전파 망원경 어레이를 활용했다. ALMA 전파 망원경은 일산화탄소 이온이 다시 전자와 재결합하면서 에너지를 잃고 방출하는 특정한 파장의 빛을 검출할 수 있다. 일산화탄소는 우주 공간 먼지들을 추적하는 가장 대표적인 지표다. 

ALMA의 관측 결과에 따르면 은하 B14-65666는 앞서 허블 우주 망원경이 확인한 것처럼 두 개의 덩어리(Lobe)로 또렷하게 구분됐다. 그런데 각 덩어리에서 방출되는 원자들의 방출선 빛을 통해 움직임을 추적한 결과, 두 개의 덩어리는 각기 다른 속도로 움직이며 서로를 향해 접근했다. 이는 두 개의 덩어리가 별개의 독립된 천체가 아니라 두 은하가 한 쌍의 커플을 이루고 있음을 의미한다.[1] 

따라서 이번에 새롭게 확인된 고대의 은하 B14-65666는 우리가 지금껏 관측을 통해 확인한 은하 커플 가운데 우주의 가장 앳된 시절, 가장 먼 옛날부터 존재한 우주 태초의 커플 중 하나라고 볼 수 있다. 즉 우주 역사 전체를 통틀어 빅뱅 직후 우주가 만들어진 지 얼마 되지 않은 아주 이른 시점부터 이미 은하들은 서로의 강한 중력을 통해 각자의 매력을 느끼고 이끌려 진한 우주적 스킨십을 나누었던 셈이다. 말 그대로 우주에서 ‘최초의 연애’를 시작한 ‘아담과 이브’ 은하라고 볼 수 있다. 

최초의 커플 은하들이 사랑을 나누던 우주 초기에는 아직 은하들이 거대한 사이즈로 성장하기에는 너무 일렀다. 우주 초기에는 아직 성장을 덜 한 아주 작고 왜소한 초기 은하들이 주로 존재했다. 이번에 새롭게 확인된 B14-65666 은하들 역시 아주 덩치가 작다. 현재 우리 은하의 질량에 겨우 10%밖에 되지 않는다. 현재 이들은 서로 덩치가 비슷한 두 은하가 함께 충돌하는 ‘메이저 머저(Major merger)’ 형태의 은하 간 충돌을 겪는 중으로 추정된다. (즉 두 은하의 질량비가 거의 1 대 1인 충돌이다.) 

B14-65666의 은하들은 우주 형성 직후 태어난 아주 왜소하고 어린 은하들이지만, 이후 만들어진 다른 성숙한 은하 커플들을 훨씬 뛰어넘을 정도로 왕성하게 새로운 별들이 만들어지고 있다. 두 어린 은하가 머금은 각각의 가스와 먼지 구름이 아주 뜨거운 온도로 충돌하면서 두 은하의 충돌 면 사이에서 아주 많은 별들이 폭발적으로 태어나고 있다.[2] 

불과 10~20년 전까지만 해도 대부분의 천문학자들은 중력을 통한 이런 은하 간 스킨십이 우주가 만들어진 뒤 오랜 시간이 흐른 최근에야 빈번하게 벌어졌을 것이라고 추정했다. 기존 은하 형성 가설에서는 은하가 어느 정도 구색을 갖추고 적당한 규모를 갖게 되기까지 긴 성장 시간이 필요하고, 또 초기 우주에는 아직 만들어진 은하의 수가 적고 밀도가 적어서 은하끼리 지나가다가 부딪히는 경우가 적을 것이라고 추측했기 때문이다. 하지만 더 먼 우주를 세밀하게 관측할 수 있는 관측 장비가 동원되면서 이런 가설을 뒤집는 고대의 은하 커플들이 많이 발견되고 있다.[3][4]

천문학자들이 기존에 생각했던 것보다 훨씬 일찍부터 우주는 더 빈번하게 다양한 은하 간 상호작용을 시작한 것으로 보인다. 우리의 우주는 꽤 어린 나이부터 거대한 스케일의 사랑을 나눌 줄 아는 그런 사랑스러운 세상이었을지 모른다.[5]

# 우주에서 가장 바쁜 커플 

이번에는 우주에서 가장 바쁜 커플을 만나보자. 

최근 천문학자들은 서로의 곁을 아주 빠르게 맴돌며 우주에서 가장 정신없는 왈츠를 추는 한 쌍의 백색왜성 커플을 새롭게 발견했다. 지구에서 약 8000광년 거리에 있는 이 백색왜성 커플 ZTF J1539+5027은 채 7분도 되지 않는 아주 짧은 시간에 한 번씩 궤도를 돈다. 

팔로마 천문대(Palomar observatory) 망원경에 새롭게 탑재한 츠비키 순간 검출 장비(Zwicky Transient Facility)를 통해 이 커플처럼 아주 빠른 속도로 천체의 밝기나 위치가 변하는 모습을 효율적으로 모니터링 할 수 있게 되었다. 

백색왜성 커플을 이루는 두 별은 지구에서 봤을 때 그 궤도면이 거의 누워 있는 것처럼 보이기 때문에, 7분에 한 번씩 번갈아가면서 별 하나가 다른 별 하나 앞을 가리고 지나가는 것처럼 보인다. 별 하나가 다른 별 하나에 의해 가려질 때 가려진 만큼 전체 밝기가 어두워진다. 둘 중 더 밝은 별이 가려질 때 밝기 변화가 더 확연하게 드러난다. 이 커플은 서로 앞을 가리고 지나가면서 짧은 주기로 규칙적인 밝기 변화가 일어나는 ‘식쌍성(Eclipsing Binary)’이다. 

보통 백색왜성은 우리 태양 정도로 질량이 작은 별이 진화 마지막 단계에서 맞이하게 되는 모습이다. 핵융합이 모두 멈추고 오로지 중력에 의해 수축하면서 별 하나의 크기가 지구만 할 정도로 아주 작아진다. 그 결과 아주 높은 밀도로 땅땅하게 뭉쳐 있는 고밀도 찌꺼기 별 백색왜성이 만들어진다. 

그런데 이런 백색왜성은 혼자만 늙지 않고 바로 곁에 있는 파트너 별과 함께 늙어가는 경우가 많다. 태양처럼 질량이 작은 별 두 개가 쌍성을 이루고 함께 돌면서 살아가다가 진화 속도가 조금 더 빠른 별 하나가 먼저 백색왜성이 되고 나면, 먼저 죽어버린 이 별이 아직 죽지 않은 파트너 별에게서 물질을 뺏어오며 수혈을 받는다. 그 결과 아직 죽지 않고 버티고 있던 파트너 별 역시 빠르게 진화가 진행되면서 결국 두 별 모두 백색왜성이 된다. 백색왜성끼리 커플을 이루는 백색왜성 쌍성(White dwarf binary)이 만들어진다. 

이번에 새롭게 발견된 백색왜성 커플 ZTF J1539+5027이 주변 시공간에 파문을 일으키며 빠르게 왈츠를 추는 모습을 구현한 영상. 주변 시공간에 중력파를 남기면서 서서히 에너지를 손실하기 때문에 현재 이 백색왜성 커플의 궤도 크기는 매일 26cm씩 쪼그라들고 있다. 결국 궤도가 완전히 쪼그라들게 되면 두 백색왜성은 충돌할 수도 있다. 영상=Caltech/IPAC/R. Hurt

이렇게 밀도가 높은 땅땅한 두 별이 아주 가까운 거리에 바짝 붙어서 서로의 곁을 빠른 속도로 맴돌면, 이 왈츠가 주변 시공간에 아주 큰 파문을 일으킨다. 2015년 이후 꾸준히 검출되고 있는 블랙홀 커플들의 충돌이 남긴 중력파와 같다. 하지만 블랙홀에 비해 훨씬 덩치가 작은 백색왜성 커플이 일으키는 시공간의 파문은 중력파보다 미미하다. 

이렇게 작고 미미한 시공간의 흔적을 추적하기 위해 천문학자들은 앞으로 2034년경 발사될 예정인 새로운 중력파 검출기 LISA(Laser Interferometer Space Antenna)에 기대를 걸고 있다. 

LIGO는 땅 속에 매설한 길이 4km의 아주 기다란 관을 따라 오고가는 레이저 빛줄기를 통해 중력파를 검출했다. 하지만 LIGO로도 측정할 수 없는 더 미미한 중력파를 포착하기 위해서는 훨씬 더 기선(Baseline)이 긴 중력파 검출기 그물이 필요하다. 그래서 천문학자들은 아예 지구 바깥에 인공위성 형태로 검출기들을 띄워서 행성 지구보다 훨씬 더 긴 중력파 검출기 그물을 우주 공간에 만들 계획이다. 

최근 프로토 타입의 테스트까지 성공하면서 LISA 프로젝트는 순조롭게 잘 진행되고 있다. 추후 LISA가 모두 발사되고 나면 이번에 발견된 우주에서 가장 정신없이 돌아가는 백색왜성 커플 ZTF J1539+5027은 LISA로 포착할 중력파를 만들어내는 가장 유력한 후보로 활용할 수 있다. 

지난 2015년 12월 우주로 발사된 LISA 패스파인더 프로젝트는 추후 진행할 본격적인 LISA 미션을 준비하는 예행연습이었다. 당시 지구에서 약 150만 km 떨어진 지점을 돌며 먼 거리에 떨어져 있는 두 인공위성들이 세밀하게 자세와 위치를 조정해 레이저 빛줄기를 정확하게 검출기로 들어가도록 하는 리허설을 성공적으로 마쳤다. 영상=NASA’s Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger

# 커플은 솔로보다 더 많은 것을 알려준다

이처럼 우주에는 아주 다양한 형태로 살아가는 많은 커플이 있다. 한 쌍의 천체가 짝을 이룬 평화로운 커플뿐 아니라 많은 천체들이 함께 뒤엉켜 복잡하고 아슬아슬한 N각 관계로 살아가는 경우도 적지 않다. 

원시 은하단 SPT2349-56을 이루고 있는 은하들의 충돌 현장을 구현한 시뮬레이션 영상. 영상=ESO/ALMA/NAOJ/NRAO/Miller et al.

사람도 연애를 하고 사랑을 나누면서 그 사람의 진짜 성격이나 진가가 드러난다. 그래서 우리는 친한 친구나 유명 연예인의 열애설, 스캔들 등에 관심을 갖는다. 천문학자도 마찬가지다. 

혼자 덩그러니 버려진 채 외롭게 살아가는 독립된 별과 은하에서는 알아낼 수 있는 정보가 많지 않다. 하지만 주변의 다른 인접한 별과 은하와 중력을 통해 서로 매력을 느끼고 우주적 스킨십을 주고받는다면 더 많은 다양한 정보를 캐낼 수 있다. 다른 별과 엮여 움직이는 궤도와 속도를 통해 커플을 이루는 각 천체의 질량을 추정할 수 있고, 두 천체가 번갈아가며 서로를 가리는 식 현상을 통해 각 천체의 밝기나 표면온도 등 아주 세밀한 정보까지 캐낼 수 있다. 커플 별, 커플 은하들은 파트너와 주고받는 다양한 물리적 상호작용을 통해 솔로 별, 솔로 은하에 비해 자신의 개인 스펙, 성향을 훨씬 더 많이 흘려보내는 셈이다. 

구석에 숨어 대포 같은 거대한 카메라 렌즈를 들이밀면서 긴 잠복근무 끝에 스타들의 스캔들을 터트리는 파파라치처럼, 천문학자들은 매일 밤 대포 같이 거대한 망원경을 밤하늘에 들이밀며 거대한 ‘스타’ 커플들의 스캔들을 파헤치고 있다. 

[1] https://www.almaobservatory.org/en/press-release/alma-finds-earliest-example-of-merging-galaxies/

[2] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019PASJ..tmp...70H/abstract

[3] https://www.nature.com/articles/s41586-018-0625-x

[4] https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aaa1f1

[5] https://www.nature.com/articles/s41586-018-0025-2

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.​​

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