[LAB을 찾아서]"우주 초기에 이미 '거대 은하단' 있었다"

연세대 지명국 교수 연구팀
암흑물질 분포 정밀 재구성

지명국 연세대 천문우주학과 교수 연구팀이 약 105억년 전 우주에 존재한 거대 은하단의 암흑물질 분포를 정밀하게 재구성했다. 분석 결과 우주 초기에도 이미 성숙한 거대 구조가 형성돼 있었던 것으로 나타나 초기 우주의 구조 형성 속도가 기존 이론보다 빠를 가능성이 제기됐다.

지명국 연세대 천문우주학과 교수 연구팀(사진)이 약 105억년 전 우주에 존재한 거대 은하단의 암흑물질 분포를 분석해 초기 우주에서도 성숙한 거대 구조가 형성돼 있었음을 확인했다고 밝혔다. 지명국 교수팀 소속 카일 피너 박사(왼쪽 첫번째), 잭 스코필드 연구원(왼쪽 네번째), 지명국 교수(왼쪽 일곱번째).

연세대는 지 교수 연구팀이 '제임스 웹 우주망원경' 관측 데이터를 활용해 초기 우주 은하단인 'XLSSC 122'를 분석했다고 13일 밝혔다.

분석 결과, XLSSC 122는 태양 질량의 약 160조배에 달하는 거대한 은하단으로 확인됐다. 특히 질량이 중심부에 강하게 집중된 형태를 보였다. 우주 나이가 약 30억년에 불과하던 시점에도 상당히 성숙한 거대 구조가 형성됐다는 것을 뜻한다.

XLSSC 122는 약 105억년 전 우주에 존재했던 은하단이다. 천문학에서는 별의 탄생과 은하 성장이 가장 활발했던 약 100억년 전 시기를 '우주의 정오'라고 부르는데 바로 이 시기다.

현재 표준 우주 진화 모델은 작은 구조가 먼저 형성된 뒤 시간이 지나면서 점차 충돌과 병합을 거쳐 더 큰 구조로 성장한다고 설명한다. 그러나 이번 관측 결과는 거대 은하단이 예상보다 빠르게 만들어졌을 가능성을 보여주는 사례로 평가된다. 연구진은 이러한 결과가 초기 우주의 구조 형성과 진화 과정을 설명하는 기존 이론을 재검토할 필요성을 시사한다고 자평했다.

이번 분석은 기존 관측보다 훨씬 많은 배경 은하 신호를 확보할 수 있었기 때문에 가능했다. 그간 허블 우주망원경으로는 너무 멀고 희미해 분석이 어려웠지만, 제임스 웹 우주망원경의 높은 해상도와 감도를 활용하면서 초기 우주 은하단의 질량 구조를 정밀하게 확인할 수 있게 됐다.

연구팀은 은하단 내부 물질의 분포에서도 새로운 특징을 확인했다. 암흑물질 질량 중심은 고온 가스 중심과 가장 밝은 은하의 위치와 대체로 일치했지만, 가스 압력을 추적하는 다른 관측에서는 중심이 약 32만광년 정도 어긋나 있는 것으로 나타났다. 이런 현상은 대형 은하단끼리 충돌하거나 합쳐지는 과정에서 나타나는 특징으로 알려져 있다. 연구진은 이를 근거로 해당 은하단이 당시 활발한 병합 과정을 겪고 있었을 가능성을 제시했다.

또 연구팀은 은하단 내부를 떠돌며 특정 은하에 속하지 않는 별빛인 '은하단 내광' 분포도 확인했다. 분석 결과 이 별빛 분포는 암흑물질 분포와 유사한 경향을 보였다. 이는 앞으로 중력렌즈 관측이 어려운 먼 은하단의 암흑물질 구조를 연구할 때 은하단 내광이 중요한 보조 지표가 될 수 있음을 보여준다.

이번 연구는 국내외 연구진 협력으로 수행됐다. 연구 결과는 국제 학술지 '천체물리학 저널 레터스(The Astrophysical Journal Letters)'에 두 편의 논문으로 게재됐다. 연구팀은 향후 미국 항공우주국(NASA)이 발사할 예정인 낸시 로만 우주망원경 관측과 결합해 초기 우주의 거대 구조 형성과 진화 과정을 더욱 체계적으로 연구할 계획이다.

오지은 기자 joy@asiae.co.kr