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[사이언스] 제임스 웹이 '유령 은하'의 심장 속에서 본 것은?

초거대 질량 블랙홀 있어야 할 자리에 텅 빈 구멍과 성단이…

2023.03.27(Mon) 11:04:05

[비즈한국] 제임스 웹이 ‘유령’을 바라봤다. 이 으스스한 곳은 아름다운 나선은하 M74다. 이곳은 물고기자리 방향으로 약 3200만 광년 거리에 있다. ‘유령 은하(Phantom Galaxy)’라는 별명으로도 불린다. 아주 절묘하게도 지구에서 봤을 때 은하 원반이 완벽하게 정면을 향한다. 그 덕분에 은하의 중심부터 외곽까지 아름답게 휘감은 나선팔을 선명하게 볼 수 있다. 

 

오래전부터 이 은하는 천문학자들의 인기 구역이었다. 허블 망원경을 비롯한 다양한 망원경을 통해 이곳을 바라봤다. 제임스 웹도 기존 관측보다 더 파장이 긴 적외선 빛으로 이곳을 담았다. 미지근하게 달궈진 먼지 필라멘트가 더 선명하게 드러났다. 그리고 최근에 벌어진 별 탄생의 흔적을 추적할 수 있었다. 그 결과는 놀라웠다. 복잡하게 얽힌 나선팔과 먼지 필라멘트뿐 아니라 은하 중심에서 예상치 못한 모습을 포착했다. ​

 

제임스 웹 우주망원경으로 촬영한 ‘유령 은하’ M74. 사진 오른쪽 아래를 보면 유독 둥글게 텅 빈 거품 같은 구역을 볼 수 있다. 이곳은 오래전 한꺼번에 많은 초신성이 폭발하면서 생긴 거대한 구멍, 동공(Cavity)이다. 초신성 폭발의 충격파로 인해 사방으로 먼지가 퍼져 나갔다. 이때 둥근 경계를 따라 다시 먼지가 반죽되면서 새로운 별들이 탄생한다. 충격파 면을 따라 다시 활발하게 별이 탄생하고 있기 때문에 제임스 웹의 적외선 이미지에서 둥근 가장자리가 유독 더 밝게 보인다. 누군가의 죽음이 또 다른 누군가의 새로운 탄생의 씨앗이 되는 우주의 장엄한 순환 과정을 고스란히 보여준다. 사진=ESA/Webb, NASA & CSA, J. Lee and the PHANGS-JWST Team


허블 우주망원경과 제임스 웹 우주망원경으로 찍은 M74 은하. 왼쪽부터 순서대로 허블로 찍은 가시광 사진, 허블로 찍은 가시광 사진과 제임스 웹으로 찍은 적외선 사진을 합친 사진, 제임스 웹으로 찍은 적외선 사진. 사진=ESA/Webb, NASA & CSA, J. Lee and the PHANGS-JWST Team


육중한 초거대 질량 블랙홀이 숨어 있을 거라 생각했던 은하 중심은 텅 비어 있다. 은하 한가운데만 깨끗하게 가스 먼지 구름이 없다. 누군가 일부러 청소라도 한 것처럼. 게다가 그 텅 빈 구멍에는 별들이 바글바글 모여서 빛나고 있다! 블랙홀만 존재할 거라 생각했던 은하의 심장에 성단이 모여 있다. 유령의 심장 속에서 대체 무슨 일이 벌어지고 있는 걸까?

 

제임스 웹이 바라본 유령 은하 M74의 심장에 담긴 이야기를 소개한다.

 

흔히 은하 중심에는 ‘반드시’ 초거대 질량 블랙홀만 존재한다고 생각하지만 그렇지 않다. 왜소하고 가벼운 은하들의 경우 그 중심에 블랙홀 대신 별이 바글바글하게 모인 성단이 있는 경우도 있다. 이렇게 은하 중심에 모인 성단들을 은하 핵 성단(Nuclear Star Cluster, NSC)이라고 부른다. 어떻게 은하 중심부에 별들이 이렇게 높은 밀도로 모여 빛날 수 있는지는 아직 수수께끼다. 

 

가장 유력한 가설 두 가지가 있다. 하나는, 은하 중심부 바깥에서 반죽된 성단이 이후 은하 중심부로 서서히 들어왔다는 것이다. 이를 성단의 이주(Migration) 가설이라고 한다. 다른 하나는, 애초에 은하 중심으로 모여드는 가스가 직접 반죽되면서 이 자리에서 성단이 탄생했다는 것이다. 이를 제자리(In-situ) 가설이라고 한다. 

 

재밌는 점은 은하가 더 무겁고 중심 블랙홀의 덩치가 클수록 은하 핵 성단은 잘 보이지 않는다는 것이다. 무거운 은하 중심에는 핵 성단 없이 그냥 초거대 질량 블랙홀만 존재한다. 이 때문에 은하 중심 핵 성단들이 점차 시간이 지나면서 초거대 질량 블랙홀로 반죽되는 게 아닐까 의심하는 천문학자들도 있다. 또 핵 성단 속에 여전히 발견되지 않은 중간 질량 블랙홀들이 숨어 있지 않을까 추측도 한다. (중심에 핵 성단과 초거대 질량 블랙홀 두 가지가 모두 존재하는 은하는 드문데, 놀랍게도 우리 은하가 그렇다!) 

 

허블 우주망원경으로 관측한 우리 은하 중심의 핵 성단을 이루는 별들. 사진 속 푸르게 빛나는 밝은 별들은 훨씬 가까이 있는 배경 별들이다. 그 너머 더 먼 배경에서 빛나는 미지근한 별들 대부분이 전부 우리 은하 중심 핵 성단을 이루는 별들이다. 우리 은하 중심부는 지구로부터 약 2만 7000광년 떨어져 있다. 사진=NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team(STScI/AURA); Acknowledgment: T. Do and A. Ghez(UCLA), and V. Bajaj(STScI)


2022년 7월 제임스 웹은 나선은하 M74의 중심을 바라봤다. 그곳에서 거대한 직사각형 모양의 텅 빈 구멍을 발견했다. 그 크기는 650광년×1300광년 정도. 천문학자들은 이 안에서 빛나는 핵 성단의 전체 질량을 계산했다. 이 성단의 전체 질량은 태양 질량의 약 1000만 배 수준으로 우리 은하 중심에서 발견된 핵 성단의 전체 질량에 맞먹는 수준이다. 

 

앞서 설명했듯이 은하 자체가 무거워질수록 그 중심에서 핵 성단을 찾기 어려워진다. 실제로 다양한 은하들의 전체 질량과 그 중심 핵 성단 질량의 비중을 비교해보면, 은하 자체 질량이 무거울수록 핵 성단의 비중이 빠르게 감소한다. 재밌게도 우리 은하와 M74는 핵 성단의 질량 비중이 제일 적은 끝단에 걸쳐 있다. 아마 두 은하 모두 그 중심에 핵 성단이 존재할 수 있는 범위의 경계에 걸쳐 있기 때문일 것이다.

 

앞서 허블 망원경과 이번에 제임스 웹으로 자외선, 가시광선, 적외선에 걸친 넓은 범위에서 이 성단 속 별빛의 스펙트럼을 분석했다. 그 결과, M74 은하 중심의 성단 속 별 대부분은 아주 나이가 많은 늙은 별들이었다. 평균 80억 년 전에 탄생했다. 무거운 원소들의 함량도 아주 높게 나타났다. 이미 오래전에 진화를 마친 별들이 터지면서 다양한 원소를 주변 우주 공간에 남겼다는 뜻이다. 새로운 별 탄생은 더 이상 벌어지지 않는 것으로 보인다. 새로운 별을 만들려면 재료가 될 가스 먼지가 많아야 한다. 하지만 M74 은하 중심에는 별 먼지가 하나도 없다. 이미 오래전에 반죽되어 미지근하게 빛나는 나이 많은 별들을 에워싼 텅 빈 구멍만 있을 뿐이다. 

 

그런데 천문학자들은 이곳에서 이상한 징후를 포착했다. 자외선, 가시광선, 파장이 짧은 근적외선에서는 아무런 문제가 없다. 그런데 유독 파장이 좀 더 긴 중적외선 파장에서만 더 밝게 빛났다. 이것은 은하 중심의 나이 많은 성단만으로는 설명할 수 없는 빛이다. 또 은하 중심에서 다른 파장으로 본 가장 밝은 부분과 중적외선으로 바라본 가장 밝은 부분의 위치가 어긋나 있었다! 그 차이는 거리로 따지면 무려 30광년이다. 다시 말해서 다른 파장과 달리 유독 중적외선 파장의 빛을 가장 강하게 방출하는 무언가가 은하의 중심에서 30광년이나 벗어난 자리에 존재한다는 뜻이다. 대체 이건 어떻게 설명할 수 있을까? 

 

허블 우주망원경으로 관측한 가시광 빛의 분포는 검은색 등고선으로, 제임스 웹으로 찍은 적외선 빛의 분포는 빨간색 등고선으로 표현했다. 은하의 정중앙에서 약 30광년 거리의 살짝 어긋난 지점에서 은하의 적외선 빛이 가장 강하게 빛나고 있다.

 

우선 한 가지 가능성은 그간 알려지지 않은 활발한 블랙홀이 이 은하 중심에 숨어 있다는 것이다. 중심의 블랙홀에서 강력한 X-선 에너지를 토해내면 그 에너지는 다시 블랙홀 주변을 감싼 먼지 구름에 흡수된다. 이후 미지근하게 달궈진 먼지 구름은 파장이 더 긴 적외선 영역의 빛을 방출할 수 있다. 하지만 아직까지 M74 은하 중심의 블랙홀 존재 여부는 논쟁 중이다. 

 

또 다른 가능성은 은하 중심부를 향해 사방에서 많은 성단이 유입되고 있을 가능성이다. 특히 이 가설은 은하 중심부 적외선 영역에서 가장 밝게 보이는 부분이 은하 정중앙에서 약 30광년 벗어나 있다는 것과 연결된다. 이는 중심부를 향해 성단들이 유입되는 과정이기 때문일 수 있다. 은하 전체의 중력장에 이끌려 성단이 가운데로 끌려가면 빠르게 나선 형태 궤적을 그리며 유입된다. 이 과정에서 성단은 으스러지고 성단 속 별들은 해체된다. 그래서 가스 먼지로 두껍게 둘러싸인 별들처럼 보이는 착각을 일으킬 수 있다. 결국 으스러진 성단을 에워싼 먼지들이 별빛을 받아 미지근하게 달궈지면 마찬가지로 적외선 영역에서 유독 더 많은 에너지를 방출할 수 있다. 

 

하지만 안타깝게도 이 시나리오 역시 완벽하지 않다. 최근 시뮬레이션에 따르면 이러한 성단의 유입은 겨우 100만 년 만에 아주 빠르게 끝나야 하기 때문이다. 은하 M74 중심에서 실제로 관측되는 성단의 평균 나이 80억 살에 비하면 턱없이 짧은 시간이다.

 

그래서 더 생각해볼 수 있는 마지막 재밌는 가설이 있다. M74의 중심과 정확히 같은 방향으로 아주 먼 거리에 또 다른 배경 은하가 우연히 겹쳐 보이고 있을 가능성이다. 이미 앞서 다른 연구들에서 또 다른 천문학자들은 인공지능 알고리즘을 통해 가까운 은하 1271개의 이미지를 분석하면서 그 은하들 뒤에 또 다른 배경 은하가 우연히 겹쳐 숨어 있는 것으로 의심되는 데이터도 추려냈다. 그렇게 나온 115개의 후보들에 M74도 포함돼 있다. 

 

아직은 확실치 않지만, 정말 재밌게도 어쩌면 이 아름다운 우주 유령의 심장을 뚫고 더 먼 거리를 꿰뚫어볼 수 있다면 정확히 같은 방향에 우연히 겹쳐 숨어 있던 또 다른 배경 은하를 찾게 될지도 모른다. 

 

이 놀라운 발견을 가슴에 품은 채 다시 유령의 심장을 보자. 그 심장 속에서 무엇이 보이는가? 아직 존재를 들키지 않고 숨어 있는 거대한 블랙홀? 한창 은하 중심으로 빠르게 유입되며 해체되고 있는 성단들이 괴로워하는 모습? 아니면 그 너머에 숨어 있는 더 머나먼 또 다른 은하? 아직은 그 답을 알 수 없다. 하지만 어떤 답이어도 모두 놀라운 결말이 될 것이다. 사진을 너무 오래 바라보지는 마시길. 정말 유령 같은 이 은하의 매력에 넘어가 정신을 잃을 수도 있으니 말이다.

 

참고

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aca53e

 

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​

지웅배 과학칼럼니스트 writer@bizhankook.com​


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