인류 우주관을 바꾼 제임스웹 망원경이 2023년 발견한 ‘12장면’ [이광식의 천문학+]

[서울신문 나우뉴스]

지구와 태양의 중력 균형이 이뤄지는 약 150만㎞ 밖의 제2라그랑주점(L2)에서 심우주를 관측하는 제임스웹 우주망원경.출처: Northrop Grumman.

2년 전 크리스마스날 천문학자들과 우주 마니아들은 30년을 기다려온 큰 선물을 받았다. 이는 별과 은하를 탐사하기 위한 세계 최대이자 최고가인 제임스웹 우주망원경(JWST)의 발사였다.

무려 10조 원이 투입된 웹은 기대에 어긋나지 않게 올해도 숨막힐 듯 아름답고, 과학적으로 가치 있는 우주 이미지를 전해왔다. 우주에 대한 우리의 이해를 바꿔놓은 JWST이 2023년 발견한 '12장면'을 정리했다. 

웹이 잡아낸 태양계의 새로운 모습들.출처: NASA, ESA, CSA, STScI.

1. 제임스웹이 잡아낸 태양계의 새로운 모습들

JWST는 우주 최초의 별과 은하를 보는 것이지만 태양계의 새로운 이미지들도 선사했다. JWST는 지난 10월 폭이 4800㎞가 넘는 목성의 거대한 고속 제트기류가 시속 515㎞로 이동하는 모습을 보여줬다.

지난 6월에는 목성의 얼음 위성 유로파의 염분 액체 바다에서 처음으로 이산화탄소를 확인했다. 또한 가스 행성인 토성의 섬세한 고리 시스템을 비롯해 146개의 달 중 3개를 포착한 이 이미지는 토성에 대한 새로운 시각을 제공했다.

NASA에 따르면 JWST의 적외선 눈을 통해 본 토성은 섬뜩할 정도로 어둡다. 이 파장에서 메탄가스가 대기에 떨어지는 햇빛을 거의 모두 흡수하기 때문이다.  또 천왕성의 가장 밝은 위성과 13개의 먼지 고리 중 11개의 이미지도 포착했다. 

2.  생명체에 필요한 분자가 풍부한 가까운 외계행성 가설 뒷받침 

JWST는 지난 9월 지구에서 120광년 떨어진 차가운 별을 돌고 있는 'K2-18 b'라는 외계행성의 대기에서 메탄과 이산화탄소를 발견했다. 태양계에서 꽤 가까운 이 외계행성은 지구보다 크지만 태양계의 거대 행성보다는 작다. 

과거 허블 우주망원경으로 관측할 당시에 K2-18 b는 지각 아래 액체 물로 이루어진 바다가 있으며, 수소가 풍부한 대기가 있는 미니 해왕성급 외계행성인 '하이션(Hycean) 행성'일 수 있는 것으로 나타났다.

JWST의 최근 관찰 결과는 풍부한 메탄과 이산화탄소에 대한 증거를 증명했고, 암모니아는 거의 없다는 가설을 뒷받침했다. 

캠브리지 대학 천문학자 사바스 콘스탄티노는 "이는 K2-18 b에 대한 단 두 차례의 관측에서 나온 것이며, 앞으로 더 많은 관찰이 진행될 예정"이라면서 "우리의 연구가 웹이 생명체 서식 가능 외계행성에 대한 초기 시연에 불과하다는 것을 의미한다"고 덧붙였다. 

3.  지금까지 관측된 최소 천체를 발견

JWST는 지난 2월  화성과 목성 사이의 소행성대에 묻혀 있는 작은 소행성을 예상치 못하게 발견했다. 

그 지역에 있는 대부분 천체들은 미국 워싱턴 기념비(높이 169.29m)만 한 우주 암석들로 태양계 형성의 잔재로 추정된다. 이는 태양계 진화에 관한 흥미로운 역사를 간직하고 있다. 

4.  원시 우주에서 거대하고 신비한 은하 발견

지난 2월 과학자들은 빅뱅 이후 불과 5억~7억년 후 우주 풍경을 담은 JWST의 우주 이미지에서 우리 은하만큼 거대한 새로운 은하를 발견했다.

기존 이론과 모델에 따르면 JWST가 발견한 은하는 과학자들의 예상치보다 크며, 그 안에 있는 성숙한 붉은 별은 나이가 무척 오래된 항성들이다. 

펜 스테이트 대학의 천문학자 조엘 레자는 "이것은 초기 은하 형성의 전체 그림에 의문을 제기한다"고 말했다. 

NASA의 NIRCam(근적외선 카메라)과 허블의 WFC3를 함께 사용하여 관측한 결과 지구에서 7200만 광년 떨어진 곳에 위치한 나선은하 NGC 5584가 나타났다. 출처: NASA, ESA, CSA 및 A. Riess(STScI).​

5.  우주의 팽창 속도에 대한 격렬한 논쟁

우주가 점점 더 빠른 속도로 팽창하고 있다는 것을 알려져 있지만 얼마나 빠른지는 정확히 알려지지 않았다.

이는 우주의 팽창률을 추정하는 데 중요한 값인 허블 상수의 정확한 값을 결정하는 것을 뜻하는데, 아직까지 논쟁이 계속되고 있다.

올해 JWST는 세페이드 변광성으로 알려진 종류의 별을 관찰했다. 이 별은 일반적으로 태양보다 약 10만배 더 밝은 별로 우주 거리를 측정하고, 우주의 팽창 속도를 알아내는 데 있어 매우 신뢰할 수 있는 자료다. 그러나 JWST의 새로운 데이터는 논쟁을 해결하기 보다는 허블 상수에 대한 논쟁을 더욱 격화시켰다. 

존스홉킨스 대학의 천문학자이자 노벨상 수상자인 아담 리스는 “허블 상수의 값이 어떻게 나오든 상관하지 않는다”면서 "나는 우리가 가진 최고의 도구, 즉 표준 도구가 서로 일치하지 않는 이유를 이해하고 싶다"고 밝혔다. 

6. 최초의 초거대 블랙홀 관측

올해 JWST는 천문학자들이 최초의 초거대 블랙홀 중 하나가 출현했다고 생각하는 두 개의 초기 은하에서 별빛을 볼 수 있도록 도왔다.

JWST는 우주의 나이가 10억년 미만이었을 때의 은하계를 관찰해 시간이 지남에 따라 블랙홀이 어떻게 태양의 수백만 또는 수십억 배에 달하는 아마무시한 질량을 갖게 되는지를 보여주었다. 

제임스웹은 먼 은하계에서 연기나 스모그와 유사한 복잡한 유기분자의 증거를 발견했다. 이 가색상 이미지에서 전경 은하는 파란색, 배경 은하는 빨간색, 유기분자는 주황색으로 표시되었다. 출처:NASA, ESA, CSA.

7. 원시 은하의 복잡한 유기분자 발견 

지난 6월 천문학자들은 JWST가 우주 나이가 현재 나이의 10%에 불과했던 120억년 전 우주에서 지구상의 석유나 석탄 매장지에서 발견된 것과 유사한 탄소 기반 분자를 발견했다고 밝혔다.

우주에서는 이런 분자가 아주 작은 먼지 알갱이와 결합하는데, 지금껏 망원경의 한계로 인해 이를 발견하기 어려웠다. 그러나 텍사스 A&M 대학의 천문학자 저스틴 스필커는 "웹을 사용하면 유기분자를 쉽게 찾을 수 있을 것으로 보인다"고 말했다. 

8. 우주 탄생 후 가장 초기의 '메이지 은하' 발견

지난해 여름 JWST는 메이지 은하로 알려진 흐릿한 주황색 덩어리를 촬영했다. 천문학자들은 이것이 지금까지 발견된 가장 초기의 은하 중 하나라고 발표했다.

이 은하는 우주의 나이가 고작 3억 9000만년이었을 때 존재했던 것으로 보이며, 이는 지금까지 발견된 4개 은하 가운데 가장 초기 은하로 추정하고 있다. 

지난해 발견된 메이지 은하계는 높은 별 형성률을 가지고 있다. 그것을 발견한 사람의 9살짜리 딸의 이름을 따서 '메이지 은하'라는 이름이 붙었다.

오스틴에 있는 텍사스 대학의 천문학자인 스티븐 핀켈스타인은 "이것은 우리가 JWST로 은하계를 찾아보기 전까지 은하계가 어떻게 형성되었는지, 어떻게 생겼는지 전혀 알 수 없었던 미지의 개척지였다"고 밝혔다. 

우주가 시작된 지 3억 9000만년 후에 나타난 메이지 은하.출처: NASA/STScI/CEERS/TACC.

9. 가장 먼 거리의 초대질량 블랙홀 발견

천문학자들은 지난 7월 JWST가 지금까지 본 것 중 가장 멀리 떨어져 있는 활동성 초대질량 블랙홀을 발견했다고 발표했다.

이 블랙홀의 모은하는 빅뱅 이후 불과 5억 7000만년 후에 형성됐다. 그러나 이 고대 블랙홀은 질량이 태양의 900만 배에 불과할 정도로 매우 작다. 일반적으로 대부분의 블랙홀은 태양 질량의 10억 개가 넘는 무게를 가지고 있다.

연구진은 “우주가 시작된 직후에 그것이 어떻게 형성되었는지 설명하는 것은 여전히 쉽지 않다”고 말했다. 

10. 원시 우주의 유령 은하 발견

먼지 구름 깊숙한 곳에 묻혀 있는 흐릿한 은하를 잡은 JWST 이미지는 최근 천문학자들의 관심을 끌었다.

부분적으로는 최초의 별이 나타난 빅뱅 이후 불과 9억 년 후에 나타난 것으로 보이기 때문이다. 

텍사스 대학 오스틴 캠퍼스의 천문학자인 제드 맥키니는 "이는 아직 우리가 발견하지 못하고 있는 은하계가 엄청나게 많을 것이라는 사실을 말해주는 것"이라고 말했다.

제임스웹이 촬영한 유령은하 AzTECC71. 출처: J. McKinney/M. Franco/C. Casey.

11. 전설적인 3개의 '다크 스타' 발견

천문학자들은 지난 7월 JWST가 그레이트풀 데드의 노래 '다크 스타'에 나온 '어두운 별'로 추정되는 세 개의 밝은 천체를 발견했다고 보고했다. 그 '별들'은 원래 지난해 JWST에 의해 은하로 지정된 것이었다. 

텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스의 물리학 교수인 캐서린 프리스는 “제임스 웹 데이터를 보면 이러한 천체에 대해 두 가지 경쟁 가능성이 있다는 것을 알 수 있다”면서 "하나는 수백만 개의 평범한 종족 III 별을 포함하는 은하계라는 것이고, 다른 하나는 그들이 어두운 별이라는 것이다. 그리고 믿기 어렵지만, 어두운 별 하나가 은하계 전체와 맞먹을 만한 밝기의 빛을 가지고 있다"고 말했다. 

천문학자들은 이러한 유형의 별들이 우리 우주 물질의 85%를 구성하지만, 우리 눈에는 보이지 않는 암흑물질에 의해 구동된다고 생각한다.

만약 '어두운 별'이 정말로 존재한다면 그들의 존재는 JWST가 관찰한 것처럼 아주 어린 우주가 어떻게 그렇게 많은 큰 은하들을 생성하도록 성장했는지에 대한 수수께끼를 푸는 데 도움이 될 것이라고 연구자들은 말한다. 

제임스웹은 지난 7월 서로를 소멸시키는 암흑물질 입자로 형성되었을 수 있는 세 개의 천체를 발견했다.출처: NASA/ESA.

12.  우리 은하와 비슷하게 보이는 놀라운 초기 은하들

은하 진화 이론은 우리 우주에서 가장 초기의 은하가 너무 어려서 나선 팔이나 막대 또는 고리와 같은 특징을 만들어내지 못했을 것으로 예측됐다.

천문학자들은 이러한 복잡한 구조가 빅뱅 이후 약 60억년 후에 나타나기 시작했을 것으로 생각해왔다. 그러나 올해 JWST는 이처럼 섬세한 특징을 가진 은하가 빅뱅 이후 37억 년 만에 존재할 수 있다는 사실을 발견했다.

영국 맨체스터 대학 천문학 교수인 크리스토퍼 콘셀리스는 "우리의 관측 결과를 바탕으로 천문학자들은 최초의 은하 형성과 지난 100억 년 동안 은하의 진화가 어떻게 일어났는지에 대한 우리의 이론을 재고해야 할 것"이라고 말했다.

이광식 과학 칼럼니스트 joand999@naver.com