[사이언스샷] 제임스 웹 우주망원경, 135억년 전 은하까지 포착했다

기존 최고 기록보다 1억년 앞당겨

제임스 웹 우주망원경으로 포착한 135억년 전 은하인 GLASS-z13. 우주가 탄생한 지 3억년 밖에 지나지 않았다./NASA

제임스 웹 우주망원경이 첫 컬러 영상을 발표한지 1주일 만에 우주 관측 사상 가장 오래된 은하를 발견하는 데 성공했다. 추가 관측을 통해 확증되면 최고(最古) 은하 기록이 1억년 더 앞당겨진다.

스위스 제네바대의 파스칼 외시 교수와 미국 하버드-스미스소니언 천체물리학연구소의 로한 나이두 박사 연구진은 지난 20일(현지 시각) 논문 사전 출판사이트 아카이브(arXiv)에 “제임스 웹 우주망원경으로 135억년 전 은하인 GLASS-z13을 발견했다”고 밝혔다.

◇빅뱅 3억년 지난 초기 우주 포착

제임스 웹은 미국과 유럽, 캐나다가 25년간 13조원을 들여 개발한 사상 최대 크기의 우주망원경이다. 올 1월 지구에서 150만㎞ 떨어진 관측 지점에 도착했다. 미 항공우주국(NASA·나사)은 지난 12일 지난 6개월 동안 제임스 웹 우주망원경이 포착한 우주 컬러 사진 5가지를 세상에 공개했다.

우주는 138억년 전 대폭발(빅뱅·Big Bang)로 탄생했다. 이번 연구진이 포착한 은하의 나이는 빅뱅이 일어난 지 3억년밖에 되지 않았다. 지금까지 최고 기록은 외시 교수가 2015년 허블 우주망원경으로 큰곰자리에서 발견한 GN-z11로, 빅뱅 이후 4억년 전 지난 134억년 전의 은하로 확인됐다.

134억년 전 은하인 GLASS-z11(위)과 135억년 은하 GLASS-z13 (아래)./하버드-스미스소니언 천체물리학연구소

나사는 앞서 제임스 웹의 관측 결과를 처음 발표하면서 “제임스 웹 우주망원경은 빅뱅 직후인 135억년 전의 초기 우주까지 관측할 수 있을 것”이라고 기대했다. 1주일 만에 당시 예측이 실현된 셈이다.

연구진은 이번에 135억년 전의 은하 GLASS-z13과 함께 GN-z11과 비슷한 나이의 GLASS-z11도 발견했다. 두 은하는 이미 태양 10억 개에 맞먹는 질량으로 성장한 것으로 보인다고 연구진은 밝혔다.

특히 GLASS-z11은 이미 나선형 원반 구조까지 형성해 초기 은하에서 별이 예상보다 빨리 생성됐음을 보여줬다. 두 은하의 크기는 작다. GLASS-z13은 지름이 1600광년(1광년은 빛이 1년 가는 거리로 약 9조4600억㎞)이며 GLASS z-11은 2300광년이다. 이에 비해 우리은하는 지름이 10만광년에 이른다.

조 바이든 미 대통령이 12일 공개한 제임스 웹 우주망원경의 첫 관측 영상. 지구에서 40억광년(1광년은 빛이 1년 가는 거리로 약 9조4600억㎞) 떨어진 SMACS 0723 은하단이다. 멀리서 온 빛을 증폭하고 휘어지게 하는 중력렌즈 역할을 해 초기 우주에서 온 빛을 확인할 수 있다./NASA

◇적색편이 현상 관측해야 확증 가능

같은 날 이탈리아 국립천체물리학연구소의 마르코 카스텔라노 박사 연구진도 역시 아카이브에 제임스 웹 관측을 토대로 GLASS-z13이 가장 오래된 은하라고 발표했다.

과학자들은 앞으로 제임스 웹 우주망원경이 빅뱅 이후 2억년 이내의 초기 우주까지 관측할 수 있을 것이라고 기대했다. 지난 31년 동안 작동한 허블 우주망원경은 가시광선을 주로 감지하지만, 제임스 웹은 적외선까지 포착할 수 있기 때문이다. 가시광선은 별이 탄생하는 우주 먼지와 구름 지역을 통과하기 어렵지만 파장이 긴 적외선은 이를 통과할 수 있다.

연구진은 이번 연구 결과를 확증하기 위해 제임스 웹의 추가 관측이 필요하다고 밝혔다. 이번에는 은하에서 나온 빛의 파장을 기준으로 밝기를 비교했다. 과학자들은 오래된 은하의 나이를 확실하게 알려면 빛을 성분별로 분석하는 분광(分光) 관측이 필요하다고 본다. 이른바 적색편이(赤色偏移)를 알아내는 방법이다.

적색편이는 우주 팽창 자체 때문에 빛의 파장이 길어지는 현상이다. 1923년 미국의 천문학자 에드윈 허블은 은하의 파장이 예상했던 것보다 더 긴 붉은색 쪽으로 치우친 것을 발견했다. 이를 통해 허블은 우주 팽창을 확인했다.

우주 팽창이 적색편이를 유발하는 것은 구급차의 사이렌 소리와 비교하면 알 수 있다. 사이렌을 울리는 구급차가 다가오면 소리가 높게 들리지만, 지나쳐 멀어지면 소리가 낮아진다. 낮은 소리는 파장이 길다. 마찬가지로 빛을 내는 천체가 관측자로부터 멀어지면 빛의 파장이 길어진다.