제임스 웹, “존재해서는 안 되는” 거대 은하들을 발견하다

[JWST 발사부터 현재까지] 5억~7억 년 정도의 무거운 은하 후보를 6개나 찾아내다

우주의 크기를 측정하는 방법

보통 근적외선을 통해 오래된 은하를 찾으려면, “라이먼 브레이크 (Lyman break)”라 부르는 라이먼 알파 (Lyman alpha) 임계 파장(0.1216 마이크로미터; 자외선 범위)에서 스펙트럼이 갑자기 뚝 끊기는 것처럼 보이는 현상을 관측한다.

스펙트럼이 얼마나 긴 파장 쪽으로 이동했는지, 즉 Lyman alpha 임계 파장이 얼마나 적색편이를 일으켰는지 조사하여 정확한 적색편이 값을 얻으면 은하의 나이와 우주의 크기를 측정할 수 있기 때문이다. 이를 통해서 제임스 웹 우주망원경 팀은 적색편이 값(z)이 13.20인, 빅뱅 이후 4억 년도 채 되지 않은 시점에 생성된 오래된 은하를 발견한 바 있다.

(관련 기사 바로 가기 ？ “제임스 웹, 더 멀고 오래된 은하를 관측하다“)

이와 유사하게 발머 임계 파장(약 364.5 나노미터)을 이용하는 “발머 브레이크 (Balmer break)”도 은하의 질량, 나이, 그리고 우주의 역사를 연구하는 데 자주 이용된다.

5억~7억 년 정도 되는 은하 후보를 6개나 찾아낸 연구팀

미항공우주국(NASA)의 제임스 웹은 과거와 어두운 우주를 보는 데 특화된 적외선을 이용한다. 따라서 현재 우주 나이의 일부에 불과한, 빅뱅 이후 약 몇 억 년밖에 지나지 않은 시기에 형성된 은하들을 관측하고 있다.

호주 멜버른의 스윈번 공대 (Swinburne University of Technology) 이보 라베 교수(Prof. Ivo Labbe)가 이끄는 국제 천문학 연구팀은 빅뱅 이후 약 10억 년밖에 지나지 않은 적색 편이 6이상의 은하를 발견하고자 제임스 웹 우주망원경을 이용한 관측을 수행했다.

“존재해서는 안 되는 거대하고 무거운 은하”들이 발견되었다. 이들은 회색선 (임계값) 이상의 6개 은하들이다. ⓒ Labbe et al. 2023

연구팀은 관측 결과 7.4~9.1에 달하는 적색편이 값을 보이는 5억~7억 년 정도의 은하 후보를 6개나 찾아냈다. 위 은하들은 대략 우리 태양의 100억 배에서 1,000억 배에 달하는 질량을 가지고 있다.

참고로 정확한 질량 추정에 필요한 발머 브레이크 영역이 2.5 마이크로미터 이상의 파장으로 적색편이 되기 때문에, 더 이른 시간에 형성된 무거운 은하를 찾기는 쉽지 않다.

“존재해서는 안 되는 거대한 은하”들의 발견

문제는 이번에 발견된 은하가 “존재해서는 안 되는” 거대한 은하들이라는 점이다.

연구팀은 위 발견이 우리가 알고 있는 우주에 대한 지식을 파괴시킬 수 있다고 우려하며 “우주파괴자(Universe breaker)”라는 별명을 붙였으며, 위 은하 중 하나라도 실제 은하임이 밝혀진다면 우주론(cosmology)은 한계에 부딪히게 될 것이라고 경고했다. 연구원들은 기존의 이론에 비추어 보았을 때 우주가 시작된 직후에 은하가 이렇게 커지면 안 된다고 주장한다. 별들의 질량은 예상보다 대략 100배나 더 크기 때문이다.

관측을 토대로 모델링을 진행한 펜실베니아 주립대 천문학자 조엘 레자 교수(Prof. Joel Leja) 위 천체들은 예상했던 것보다 훨씬 더 무겁다고 주장하며, 연구팀은 처음 은하를 관측할 때 작고 어린 아기 은하만 발견할 것으로 기대했었다고 설명했다.

또한, “우주의 새벽(dawn of the universe)”이라고 일컫는 우주 초창기 관측을 통해서 우리 은하만큼 성숙한 은하가 발견된 점은 매우 놀랄만하다고 덧붙였다.

“존재해서는 안 되는 거대한 은하”들이 발견되었다. 6개의 은하 관측 사진을 보여주고 있다. ⓒ Labbe et al. 2023

위 연구에 대해 추가 분광학 연구가 예정되어 있기에, 추가 연구를 통해서 위 관측이 사실로 확정되면 위 은하들은 우리가 생각했던 것보다 훨씬 더 빨리 거대하게 자랐다는 과학적인 증거가 될 수 있다.

또한, 이는 우리가 초기 우주의 역사를 잘못 이해하고 있다는 말이며 우주 모델이나 은하 모델의 수정이 필요한 점을 시사한다.

레자 교수 역시 처음으로 초기 우주를 조사하면서 무엇이 발견될지 전혀 예상하지 못했다고 설명하며 예상치 못한 발견이 과학계에 놀라움을 선사하고 있다고 설명했다.

블랙홀이나 퀘이사일 가능성도 있다

하지만 천문학자들은 일부는 초대질량 블랙홀로 확인될 가능성이 있으며 거리 및 나이에 대해서 어느 것도 100% 확인할 수 없다고 주장한다.

“존재해서는 안 되는 거대한 은하”들이 발견되었다. 위 사진은 6개 은하의 스펙트럼 에너지 분포도를 나타낸다. ⓒ Labbe et al. 2023

연구팀의 콜로라도 볼더 대학 에리카 넬슨 교수(Prof. Erica Nelson) 역시 위 천체가 은하가 아니라면 희미한 퀘이사나 비슷한 종류의 천체일 수도 있다고 예측하며 어떤 상황이라도 실제로 큰 놀라움을 선사하고 있다고 설명했다.

추가 관측과 연구가 반드시 필요하다

앞선 설명대로 위 발견은 은하의 스펙트럼에 관한 추가 연구가 필요하다.

이를 통해서 은하의 나이와 거리를 정확하게 파악할 수 있으며 (예: 라이먼 브레이크 이용), 이는 추가로 은하의 구성과 별에 대해서도 자세한 정보를 제공해준다.

추가 관측과 연구가 반드시 필요하다. ⓒ Labbe et al. 2023/JWST/NASA

이를 통해서 우리는 은하가 예상보다 빨리 자랄 수 있음에 대한 가설을 확인할 수 있다. 추가 분광 연구가 반드시 필요한 이유이다.

관련 논문 바로 가기 ？ “빅뱅 후 약 6억년 이후의 적색 편이 거대 은하 집단 후보의 관측 (A population of red candidate massive galaxies ~600 Myr after the Big Bang)“

※ 네이처지에서 연구 결과 를 조기 공개하기 위해 편집되지 않은 버전의 논문을 발행하였기에, 논문 내 “ACCELERATED ARTICLE PREVIEW” 문구가 기재되어 있는 점 양해 부탁드립니다.