빅뱅 6억5천만년 후 ‘태초의 은하단’을 보다

제임스웹우주망원경, 7개 은하로 이뤄진 별무리 확인
수천개 은하로 구성된 거대 은하단의 초기단계 가능성

빅뱅 6억5천만년 후에 탄생한 원시은하단(흰색 네모). 은하간 거리는 최대 20만광년이다. 나사 제공

오늘날의 우주를 탄생시킨 빅뱅(우주 대폭발)의 에너지는 지금도 우주를 계속 팽창시키고 있다. 게다가 멀어질수록 팽창 속도가 빨라진다. 메가파섹(326만광년)마다 1초당 대략 70km씩 늘어나고 있는 것으로 본다. 그럼에도 우주를 구성하고 있는 별과 은하들은 흩어지지 않고 본래의 자리를 지키고 있다.

이를 가능하게 하는 것이 중력이다. 중력의 힘 덕분에 행성은 별을 돌고, 별은 주변의 별들과 은하를 이루고, 은하들은 또 은하단을 이룬다. 은하단을 만드는 중력은 주로 암흑물질에서 나온다. 은하단은 적게는 수백에서, 많게는 수천개의 은하들이 중력을 매개로 묶여 있는 집단이다. 은하단의 크기는 수십만~수천만광년에 이른다. 우리 은하의 크기는 10만광년이다.

우주 진화사 연구에서 최초의 은하와 함께 최초의 은하단이 언제 어떻게 형성됐는지는 오랜 숙제 가운데 하나다. 캘리포니아공대(칼텍) 천문학자들을 중심으로 한 국제공동연구진이 제임스웹우주망원경의 근적외선분광기(NIRSpec)를 이용해, 138억년 전 빅뱅이 일어나고 6억5천만년이 지났을 무렵에 형성됐을 것으로 보이는 원시 은하단을 발견했다고 국제학술지 <천체물리학저널 레터>(Astrophysical Journal Letters)에 발표했다.

7개의 은하는 모두 적색편이 7.9로 지구로부터 같은 거리에 있다. 나사 제공

관측 사상 가장 멀리 있는 은하단

7개의 은하는 2017년 허블우주망원경의 프런티어 필드 프로그램 관측을 통해 처음 확인된 것이었다. 하지만 허블망원경은 근적외선 이상의 빛을 감지할 수가 없어 이들이 하나의 그룹을 형성하고 있는지 등 상세한 정보는 얻어내지 못했다. 제임스웹은 그 은하들에 초점을 맞춰 상세한 분석이 가능한 분광 데이터를 수집하는 데 성공했다.

과학자들은 분광기 측정값을 분석한 결과, 이들의 적색편이값이 7.88로 똑같다는 걸 확인했다. 적색편이란 멀리 있는 천체일수록 별에서 나오는 빛이, 파장이 긴 적색을 띠는 현상을 말한다. 적색편이값이 높을수록 멀리 있는 천체다. 따라서 적색편이값이 같다는 것은 7개 은하가 모두 지구로부터 같은 거리에 있다는 걸 뜻한다. 이는 또 이들이 하나의 무리를 형성하고 있음을 말해준다. 적색편이값 7.88은 130억광년(1광년은 9조4600억km)이 넘게 걸려 도착한 빛이라는 걸 뜻한다.

연구진은 “남반구 하늘의 조각가자리에 위치해 있는 이 7개 은하는 지금까지 분광학적으로 확인된 가장 높은 적색편이값을 가진 원시은하단”이라고 밝혔다. 연구진은 7개 은하 간의 거리는 최대 20만광년에 이르며, 총 질량은 태양의 4억배, 이동 속도는 초속 1000km에 이르는 것을 확인했다.

연구진이 원시은하단이란 이름을 붙인 건 아직 완성된 형태가 아니라는 판단에 따른 것이다. 연구진의 일원인 이탈리아 국립천체물리학연구소 베네데타 벌카니 박사는 “이 은하들은 서로 다른 강에 있는 작은 물방울과 같으며, 결국엔 하나의 크고 거대한 강의 일부가 될 것”이라고 말했다. 연구진은 이 원시은하단이 수천개의 은하로 구성된 오늘날의 코마 은하단 같은 거대한 우주그룹으로 발전해가는 초기 단계일 수도 있다고 밝혔다.

연구진은 2027년 허블보다 시야가 200배 넓은 낸시그레이스로만우주망원경이 발사되면 제임스웹우주망원경과 협력해 초기 은하단에 대한 더욱 풍부하고 상세한 정보를 확보할 수 있을 것으로 기대했다. 로만망원경이 한 번의 관측으로 더 많은 원시은하단 후보를 식별해내면, 제임스웹망원경이 분광 장비로 이를 확인할 수 있다는 것이다.

*논문 정보

DOI 10.3847/2041-8213/acb99e

Early Results from GLASS-JWST. XIV. A Spectroscopically Confirmed Protocluster 650 Million Years after the Big Bang.

The Astrophysical Journal Letters(2023)

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr