한국항공우주연구원

우리가 살고 있는 지구는 태양계의 한 구성원이다. 태양계는 중심에 태양이 있고 8개의 행성과 행성에 딸린 위성, 소행성, 그리고 혜성 등으로 구성된다. 태양은 또한 우리은하(Milkyway Galaxy)의 조그마한 구성원에 불과하다. 천문학자들의 예측에 의하면 우리은하에는 태양과 같이 스스로 빛을 내는 별이 약 천 억개쯤 있다. 그리고, 은하내에서 별들은 홀로 존재하는 것도 있지만 상당수는 모여서 존재한다.

그런데 은하들의 분포를 살펴보면 거의 모든 은하들이 홀로 존재하지 않고 무리를 지어서 존재한다는 것이 알려졌다. 이러한 은하의 집단을 은하의 개수에 따라 은하군 (은하의 개수가 100여개 미만), 혹은 은하단으로 부른다. 예를 들어 우리은하의 경우 국부은하군(Local Group)에 속하며 더 나아가 처녀자리 은하단 (Virgo Cluster)의 구성원이 된다. 그러면 자연스러운 질문은 “왜 은하들은 집단으로 모여 있을까? 그리고 더 나아가서 은하단은 우주의 역사에서 언제 만들어졌을까?” 등이다. 은하단과 관련된 질문을 나열하게 되면 매우 긴 글이 될 것이므로 본 글에서는 최근 유럽의 우주망원경을 이용하여 밝혀진 은하단 형성에 관한 새로운 사실을 제시하고자 한다.

그림 1. 우주 탄생과 진화의 역사

  그림 2.  플랑크우주망원경(왼쪽)과 허셸우주망원경(오른쪽)의 모습

먼저 우주의 역사를 아래의 그림을 통해서 살펴보자. 현 우주의 나이는 약 138억년이라고 추정된다. 현 우주가 빅뱅으로 탄생했다고 가정하면 폭발 수초 후에 빛과 물질이 생겼고 약 40만년이 지나서 서로 분리되어서 이 후 각자 제 갈 길을 가게 되었다. 그리고, 우주 나이 약 수 억년쯤에 처음으로 별이 탄생했고 그 후에 은하들이 진화하여 현 우주의 모습을 갖게 되었다고 한다. 그러면 언제부터 은하들이 만들어졌을까? 이러한 의문을 해결할 수 있는 단초가 유럽우주국(ESA)에서 운영중인 플랑크우주망원경과 허셸우주망원경을 이용한 연구에서 밝혀졌다. 두 우주망원경의 모습은 각각 그림 2에 나타냈다. 플랑크우주망원경은 2009년에 발사되어 약 4년 반동안 임무를 수행하였다. 주 목적은 우주배경복사의 비등방성을 관측하는 것이다.

이 연구는 1980년대 초반 COBE 위성의 관측을 좀 더 자세히 연구하는 것으로서 우주 탄생 및 이와 관련된 각종 현상 연구가 목적이었다. 우주배경복사 연구를 위해서는 정말로 우주의 끝에서 오는 신호만을 얻기 위해서 관측자와 배경복사 사이의 모든 요소를 제거해야 하는 데 관측을 해보니 신기하게도 매우 많은 수의 점광원들이 관측되었고 매우 먼 거리 (즉, 우주의 나이가 젊을 때) 에 있는 것으로 예상되었다.

이에 당시 사용가능한 허셸우주망원경을 이용하여 개개의 점광원들을 관측하였다. 참고로 허셸우주망원경은 2009년에 발사되었고 약 4년간 임무를 수행하였다. 이 망원경은 적외선 관측에 특화되어서 매우 먼거리의 천체 혹은 온도가 낮은 천체(대표적으로 행성)의 관측에 유용하다. 플랑크우주망원경에 비해서 더욱 자세한 관측이 가능한 허셸 우주망원경을 이용하여 관측한 결과 플랑크우주망원경 관측 자료에서 점광원으로 보이는 대상의 상당수가 매우 많은 수의 은하들과 잘 연관되었음을 알게 되었고 이들 은하의 대부분이 이제 막 별생성이 이루어지고 있는 매우 젊은 은하들이라는 것을 밝혔다. 그림 3에 이 결과가 잘 표현되었다. 가운데 타원형태의 그림은 플랑크우주망원경을 이용하여 관측된 전파 영역에서 전체 하늘의 모습이다. 우리은하의 은하면에 의한 효과가 회색으로 표현되었고 붉은색 우주 배경 복사 및 매우 많은 수의 점광원(검은색 점)이 보인다. 개개 점광원을 허셸우주망원경으로 관측한 결과가 조그마한 사각형 그림들이다. 각각의 그림을 유심히 살펴보면 매우 많은 수의 은하들이 관측된다.

자세한 연구를 통해 이들이 우리은하에 비해 약 1,500배 이상 많은 수의 별을 생성한다는 것이 알려졌다. 그러므로 이들이 현재 우리가 관측하고 있는 은하단의 주요한 후보라는 데에는 이견이 없다. 다만, 이들 이외의 또 다른 후보가 있는 지에 대해서는 여전히 논란이 있으며 더욱 많은 관측자료가 필요할 것으로 예상된다.

그림 3. 우주망원경 관측으로 밝혀진 초기은하단의 모습

※ 이 글은 유럽우주국 홈페이지 (http://www.esa.int)에 게재된 내용에 기반하여 작성되었다.