발사 2주년 맞은 제임스 웹 우주망원경, 올해의 발견 12가지

제임스 웹 우주망원경이 관측 임무를 수행하는 모습 상상도./미 항공우주국(NASA·나사)

지난 2021년 12월 25일(현지 시각) 크리스마스 날 우주로 발사된 제임스 웹 우주망원경(JWST)이 올해 본격적으로 작동을 시작했다. 전문가들이 그 성과를 두고 ‘우리의 모든 기대를 뛰어넘었다’고 표현하는 가운데, 미국의 우주 잡지 ‘스페이스닷컴’이 제임스 웹 우주망원경의 올해 성과를 정리했다.

스페이스닷컴은 23일(현지 시각) 우주에 대한 이해를 바꾼 제임스 웹 우주망원경의 올해 대표 성과 12가지를 소개했다. 제임스 웹 우주망원경은 우주 최초의 별과 은하를 탐사하기 위한 세계 최대 규모의 우주망원경인 만큼, 태양계뿐 아니라 근처 외계 행성, 은하, 블랙홀, 그리고 최초의 은하계 등을 살폈다.

먼저 제임스 웹 우주망원경이 밝힌 태양계의 새로운 모습이 언급됐다. 지난 6월 제임스 웹 우주망원경은 목성의 위성인 유로파의 바다에서 이산화탄소를 처음으로 확인했다. 이어 10월에는 목성의 고속 제트기류를 확인했고, 토성의 고리와 위성을 살폈다. 천왕성의 가장 밝은 위성과 먼지 고리 13개 중 11개를 포착하는 데도 성공했다. 이어 화성과 목성 사이의 소행성대에서 태양계 형성의 비밀을 품은 작은 소행성을 발견했다. 이 소행성의 크기는 1.6km 미만으로 일반 망원경으로 발견하기 어려운 크기다.

한편 생명체가 존재할 수 있는 환경의 외계 행성도 발견했다. ‘K2-18 b’라 불리는 지구에서 120광년 떨어진 외계 행성에서 메탄과 이산화탄소를 발견한 것이다. 허블 우주망원경으로 K2-18 b에서 액체 물로 된 바다와 수소가 풍부한 대기가 있을 거로 예측했으나, 제임스 웹 우주망원경으로 메탄과 이산화탄소가 존재한다는 증거를 찾았다.

제임스 웹 우주망원경이 근적외선 카메라로 촬영한 토성. 왼쪽에 위성 3개가 보인다. 토성 대기가 적외선 파장대 빛을 흡수해 어둡게 보인다. 반면 고리를 이루는 얼음은 적외선을 반사해 밝게 빛난다./NASA, ESA, CSA

◇ 우주의 비밀에 한 걸음 다가선 제임스 웹 우주망원경

제임스 웹 우주망원경의 목표는 초기 우주의 증거를 찾고 그 기원을 밝히는 것이다. 그 일환으로 올해 초기 우주의 모습을 담은 은하들을 발견했다. 지난 2월 제임스 웹 우주망원경은 빅뱅 이후 불과 5억~7억 년 후 존재하는 은하들을 포착했다. 이 은하들은 전문가들이 예상한 초기 은하의 모습과 달리 너무 크고 속한 별들이 오래돼 한동안 논란이 됐다. 이어 먼지구름에 가려져 보이지 않던 빅뱅 이후 9억 년쯤에 나타난 은하도 발견했다.

초기 은하계의 모습을 담은 은하를 포착하는 데도 성공했다. 연구자들은 지난 8월 지난해 촬영한 메이지 은하가 지금까지 발견된 가장 초기의 은하 중 하나라고 발표했다. 우주의 나이가 3억 9000만년일 때 존재했던 은하로 은하계가 어떻게 형성되는지 밝힐 단서가 될 것으로 보인다.

전문가들은 모든 단서를 조합해 은하의 팔과 같은 복잡한 구조를 가진 은하가 빅뱅 이후 37억년 전부터 존재할 수 있다는 사실도 밝혔다. 이전에 빅뱅 60억 년 이후에 나타나기 시작했을 것이라 예상했으나, 이번에 그 시점을 크게 앞당긴 것이다. 연구진들은 앞으로 최초 은하의 형성과 진화를 계속 연구할 예정이다.

제임스 웹 우주망원경은 우주의 나이가 10억 년 미만이었을 때의 초기 은하 두 개를 관찰해 초거대 블랙홀이 형성되는 과정을 살폈다. 초대질량 블랙홀은 태양 질량의 수백만에서 수십억 배에 달하는 블랙홀을 말한다. 올해 7월에는 지금까지 발견한 블랙홀 중 가장 멀리 있는 초거대 블랙홀을 발견하기도 했다. 이 블랙홀이 속한 은하계는 빅뱅 이후 5억 7000만년 후에 만들어졌으며, 질량은 태양의 900만 배 정도로 작아 초기 우주의 모습을 보기 위한 또 다른 블랙홀로 꼽힌다.

제임스 웹 우주망원경이 우주가 탄생한 지 5억~7억년 지난 시기에서 찾은 거대 은하들. 초기 우주에는 작은 규모의 은하만 있었다고 생각했지만 예상과 달리 거대한 규모의 은하로 밝혀졌다. 맨 아래 왼쪽 은하는 우리은하와 비슷한 수의 별을 갖고 있지만 밀도는 30배나 됐다./NASA, ESA, CSA

한편 120억 광년 이상 떨어져 있는 은하에서는 복잡한 유기 분자의 증거를 찾았다. 지구상의 석유나 석탄 매장지에서 볼 수 있는 분자와 유사한 분자였다. 이를 두고 저스틴 스필커 미국 텍사스A&M대 천문학과 교수는 “제임스 웹 우주망원경을 사용하면 유기 분자를 찾기가 너무 쉬워 보인다”고 밝혔다.

연구자들은 제임스 웹 우주망원경을 활용해 일반 망원경으로 찾기 어려운 어두운 별을 관찰하는 데도 성공했다. 연구진은 “이러한 어두운 별은 암흑 물질로 구동될 수 있다”며 “아주 어린 우주가 어떻게 큰 은하들을 많이 수용할 수 있는지 답할 수 있을 것”이라 전했다.

지난 2년간 얻은 제임스 웹 우주망원경의 성과를 기반으로, 지금까지 우주의 팽창 속도를 추정하는 방법에 오류가 있었다는 점도 확인했다. 지금까지 우주의 팽창률을 추정하는 데 쓰인 수치 ‘허블 상수’를 두고 망원경 관측치와 모델 예측치가 일치하지 않아 논란이 있었다.

이에 제임스 웹 우주망원경이 이전 망원경 관측치와 유사한 결과를 내면서 관측치와 예측치 사이의 차이가 확실해졌다. 2011년 노벨 물리학상을 받은 애덤 리스 미국 존스홉킨스대 물리천문학과 교수는 “허블 상수가 얼마나 나오든 상관하지 않는다”며 “우리가 가진 최고의 도구들이 일치하지 않는 이유를 이해하고 싶다”고 밝혔다.

제임스웹 우주망원경이 지구에서 7600광년 떨어진 용골자리 성운을 촬영한 사진./NASA

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