[사이언스] 제임스 웹이 공개한 역대급 딥필드에 담긴 이상한 은하들

[비즈한국] 지난 7월 12일 천문학자들은 제임스 웹으로 담은 역사적인 첫 번째 컬러 이미지, 제임스 웹의 첫 딥필드(deep field, 심우주) 이미지를 공개했다. 약 40억 광년 거리에 있는 은하단 SMACS 0723를 중심으로 그 주변에 중력 렌즈 효과를 통해 일그러진 수많은 배경 은하들의 모습이 함께 담겼다. 쭉 뻗은 팔 끝에 있는 작은 모래알 하나로 겨우 가릴 수 있는 비좁은 하늘이지만, 그 안에는 무려 135억 년 전, 빅뱅 직후의 모습까지 셀 수 없는 우주의 비밀이 가득 담겨 있다. 

하지만 천문학자들은 여기서 멈추지 않았다. 계속해서 더 거대한 하늘을 담았다. 그리고 역사상 가장 거대한 제임스 웹의 딥필드를 새롭게 완성했다. 앞서 처음 공개한 첫 번째 딥필드보다 무려 여덟 배나 더 넓은 하늘을 담고 있다. (물론 그래봤자 쭉 뻗은 팔 끝에 있는 모래알 여덟 개 크기에 불과하지만.) 더욱 놀라운 건 이것이 끝이 아니란 사실이다. 이 역시 나중에 완성될 더 넓은 딥필드 전체의 일부에 불과하다. 역사상 가장 넓고 깊은 제임스 웹의 새로운 딥필드에 담긴 이야기를 공개한다. 

새롭게 공개된 제임스 웹의 딥필드에 담긴 독특한 은하들을 살펴보자.

현재 제임스 웹으로 진행되고 있는 가장 대표적인 프로젝트로 CEERS(Cosmic Evolution Early Release Science Survey)가 있다. CEERS는 정말 원대한 계획을 진행하고 있다. 제임스 웹에 들어간 각종 적외선 이미징, 분광기를 활용해 더 거대한 딥필드 관측을 할 계획이다. 이 정도면 지구 하늘에서 보이는 보름달이 통째로 들어가고 남을 만큼 정말 엄청 넓은 하늘이다. 우리에게 익숙한 허블 망원경의 울트라 딥필드가 보름달 면적의 50분의 1 정도밖에 안 되는 작은 영역이었다. 그런데 허블보다 더 멀리까지 보지만 시야는 훨씬 좁은 제임스 웹으로 달 면적의 9배를 넘는 거대한 하늘의 딥필드를 찍겠다는 정말 엄청난 계획이다. 

이미 그 계획은 천천히 실행되고 있다. 최근 제임스 웹은 북두칠성 국자 손잡이 부근의 밤하늘을 겨냥했다. 이 방향은 앞서 허블 망원경으로도 훑어본 적이 있는 하늘이다. (당시 허블로 찍은 이 이미지를 Extended Groth Strip이라고 부른다.) 제임스 웹은 이곳을 바라보며 24시간, 단 하루 동안 빛을 모았다. 그동안 총 690여 장의 프레임으로 주변 밤하늘을 하나하나 담았다. 그 사진들을 모두 모은 결과 정말 놀라운 장면이 완성되었다. 

제임스 웹의 새로운 딥필드 이미지는 아래 링크를 통해 누구나 고해상도로 들여다볼 수 있다. https://web.corral.tacc.utexas.edu/ceersdata/press-releases/HighResolution/CEERS-NIRCAM-credit-220804.tif

큰 화면으로 사진 구석구석을 살펴보며 우주의 암흑 속에 숨어 있는 흥미로운 은하들을 찾다보면 시간 가는 줄 모를 것이다. 최근 CEERS 팀에서 직접 공개한 딥필드 이미지 속 몇 가지 재밌는 명소들을 살펴보자.

첫 번째 필드 속에서 유독 푸르게 보이는 은하가 눈에 띈다. 이곳은 지구에서 약 20억 광년 떨어진 푸른 나선 은하다. 새로운 별들이 한창 태어나고 있는 어린 은하다. 그래서 뜨겁고 어린 푸른 별빛으로 채워져 있다. 푸른 은하의 원반 구석구석을 잘 보면 선명하게 빛나는 흰 점들을 볼 수 있다. 별들이 높은 밀도로 한데 모여 한꺼번에 태어나고 있는 어린 성단의 모습을 보여준다. 놀랍게도 제임스 웹은 수십억 광년 거리에 떨어진 은하 속에 존재하는 별 탄생 지역과 성단 규모까지 선명하게 보여준다. 현존하는 가장 세밀한 고해상도 우주 시뮬레이션이 태양 질량의 수백만 배 정도, 구상성단 하나 정도의 분해능으로 우주를 재현한다. 제임스 웹은 슈퍼컴퓨터로도 재현하기 어려운 아주 작은 스케일의 우주를 담아내는 것이다. 그것도 시뮬레이션이 아닌 진짜 우주를 말이다! 

두 번째 필드에는 더욱 놀라운 것이 담겼다. 필드 가운데 깜깜한 암흑 속을 잘 봐야 한다. 어둠 속에서 희미하게 빛나는 아주 작고 붉은 반점을 볼 수 있다. 이곳은 이번 전체 딥 필드에 찍힌 것 중 가장 먼 거리에 있는 은하의 모습이다. 적색편이만 무려 11.8! 지금으로부터 134억 년 전의 모습이다! 빅뱅 직후 우주의 나이가 겨우 4억 년밖에 되지 않았을 때 탄생한 아주 어린 원시 은하의 모습이 담겨 있다. 앞서 허블 망원경으로 발견한 역대 가장 먼 은하 GN-z11보다 더 거리가 멀다. CEERS 팀은 이 새로 발견된 가장 먼 은하에게 ‘메이시의 은하’라는 별명을 지어주었다. 메이시는 CEERS 팀을 이끄는 천문학자 스티븐 핀켈스테인의 딸 이름이다. 가장 먼 우주 끝자락에 딸의 이름을 새겨주었다니. 천문학자 아빠가 딸에게 해줄 수 있는 가장 멋진 선물이 아닐까 싶다. 

세 번째 필드로 넘어가보자. 아주 재밌게도 둥근 타원 은하 옆에 작은 은하 열 개 정도가 쭈르륵 이어진 모습을 발견할 수 있다. (일렬로 늘어선 먹이를 먹고 있는 게임 속 팩맨의 모습을 연상시킨다. 그래서 연구팀은 비공식적으로 이곳을 ‘팩맨 은하’라고 이름 지었다.) 오래전 우주 거대 구조의 필라멘트를 따라 작은 은하들이 일렬로 유입되었다. 마치 빨대를 타고 밀려오는 버블티의 버블과 같다. 이렇게 필라멘트가 모이는 매듭의 한가운데에서 거대한 은하가 반죽되었다. 우주 진화를 구현한 시뮬레이션에서나 볼 수 있었던 그 놀라운 은하 성장의 순간을 포착했다. 

그 옆으로 살짝 시선을 돌리면 또 다른 독특한 현장을 볼 수 있다. 약 90억 광년 먼 거리에서 붉은 은하들이 한데 모여 충돌하고 있는 현장이다. 얼핏 보면 일그러지고 왜곡된 은하들이 겹쳐진 모습이 거대한 오징어처럼 보인다. 그래서 천문학자들은 이곳은 ‘스페이스 크라켄’이라고 이름을 붙였다.

더 오른쪽으로 시선을 돌리면 나선 은하 두 개가 선명하게 겹쳐 한창 충돌하고 있는 또 다른 현장을 볼 수 있다. 그런데 잘 보면 충돌 중인 두 은하 사이에 흰 점을 볼 수 있다. 이 흰 점은 두 은하 사이에서 벌어진 초신성 폭발의 모습이다! 이처럼 제임스 웹은 수십억 광년 먼 거리에서 폭발하는 초신성 하나까지 선명하게 분해해서 볼 수 있다. 특히 먼 우주의 초신성을 관측하는 건 아주 중요하다. 우주의 가속 팽창을 처음 보여준 관측적 발견도 바로 우주 끝자락에서 터지는 초신성을 관측해서 나온 결과였다. 정말 암흑 에너지가 점점 우주를 압도하며 우주가 계속 무한한 가속 팽창을 하게 될지, 제임스 웹이 더 확실한 결론을 내려줄 수 있을 것이다. 

제임스 웹은 밝은 초신성뿐 아니라 은하의 전체적인 형체도 더욱 선명하게 보여준다. 이번엔 좀 더 아래로 시선을 돌려보자. 대략 60억 광년 거리에 놓인 거대한 나선 은하가 담겨 있다. 은하 중심으로부터 외곽까지 크게 두 개의 나선팔이 휘감긴 아주 뚜렷한 나선 은하의 모습을 볼 수 있다. 허블 망원경 때까지만 해도 천문학자들은 먼 우주로 갈수록 나선팔을 가진 은하의 비율이 서서히 감소한다고 생각했다. 하지만 제임스 웹의 새로운 관측은 전혀 그렇지 않다는 사실을 보여주고 있다. 그간 먼 우주에서 나선 은하의 비율이 적어 보였던 건 그저 우리가 먼 은하를 선명하게 분해하지 못했서였다. 먼 우주 끝자락에도 아름답게 춤을 추는 나선 은하들이 바글바글 존재한다. 

마지막으로 가장 오른쪽 필드 위를 보자. 별과 가스로 이어진 아주 길고 둥근 꼬리를 흘리면서 은하들이 충돌하고 반죽되는 모습을 볼 수 있다. 그 아래쪽에는 훨씬 먼 거리의 붉은 은하들이 바글바글 모인 현장까지 동시에 담겨 있다. 이처럼 제임스 웹은 비교적 가까운 우주에서 머나먼 우주 끝자락에 이르기까지, 다양한 모습과 흔적을 남기며 은하들이 충돌과 병합을 겪고 있는 순간을 포착했다. 은하들의 충돌은 100억 년 전 먼 우주에서도, 훨씬 가까운 코앞의 우주에서도 존재한다. 은하들의 충돌은 우주가 살아가는 가장 흔한 방식이다. 우주가 지금의 아름답고 복잡한 거대 구조를 이루기까지, 그리고 각각의 은하가 지금처럼 다양하고 복잡한 형태를 완성하기까지 그 모든 역사의 순간들이 한 장의 사진에 담겨있다. 한 장의 딥필드 안에 먼 과거와 현재의 우주가 공존한다. 

더욱 놀라운 것은 이번에 공개된 이 딥필드가 최종 완성형이 아니라는 것이다. 앞으로 더 채워나갈 최종본의 극히 일부를 먼저 공개했을 뿐이다. 제임스 웹의 관측 계획에 따르면, 앞으로 CEERS 팀은 60시간 정도 더 제임스 웹을 활용할 예정이다. 이를 통해 올해 12월까지 주변의 더 많은 하늘을 계속 바라보며 계속해서 제임스 웹의 딥필드 이미지를 넓혀갈 것이다. 최종적으로 보름달 크기보다 더 커다란 아주 넓은 우주의 딥필드를 모두 완성하게 된다. 역사상 가장 깊고 가장 넓은, 차원이 다른 우주의 지도 한 조각이 완성되는 것이다. 

독자 여러분도 이번에 공개된 제임스 웹 딥필드 구석구석을 뒤져보면서, 천문학자들이 놓친 또 다른 재밌는 은하들을 한 번 찾아보시라. 또 다른 재미있는 명소를 먼저 발견해, 우주 끝자락 은하에 자신과 가족, 혹은 친구의 이름을 붙일 수 있는 기회가 생길지 모른다. 고대 신화 속 영웅과 신들만 누릴 수 있었던, 밤하늘에 이름을 남기는 멋진 영광을 노려보는 건 어떨까.

참고 

https://ceers.github.io/index.html

https://ceers.github.io/ceers-first-images-release

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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