우리은하 5000배 '원시 초은하단' 포착…"역대 가장 멀고 무겁다"

[서울=뉴시스]윤현성 기자 = 우주 탄생 초기인 약 120억 년 전, 작은 은하 덩어리들이 '우주 거미줄(Cosmic Web)'의 교차점을 따라 뭉쳐 거대한 구조를 형성해 나가는 장면이 사상 처음으로 정밀한 3차원 입체 지도로 구현됐다. 국내 연구진이 참여한 국제 공동 연구진이 지금까지 발견된 것 중 가장 멀고 무거운 최고령 '원시 초은하단'을 포착하는 데 성공했다.

우리은하보다 약 5000배 무거우면서 지금까지 발견된 것 가운데 가장 먼 원시 초은하단이 발견됐다. 국내 연구진이 후속 분광관측에 참여해 초기 우주의 은하들이 여러 덩어리와 '우주 거미줄'을 따라 모여드는 모습도 3차원으로 구현했다.

 한국천문연구원(천문연)은 글로벌 공동 연구를 통해 우주 나이가 불과 20억 년에 불과했던 초기 우주 시점에 형성된 역대 가장 멀고 거대한 원시 초은하단 'COSMOS-z3.1-A'를 발견했다고 9일 밝혔다.

은하단은 수백에서 수천 개의 은하가 자체 중력으로 묶여 있는 우주 최대의 구조물이다. 원시 초은하단은 이러한 은하단 여럿이 모여 초은하단으로 성장하기 전 단계다. 지구로부터 약 120억 광년 떨어진 거리에 위치한 'COSMOS-z3.1-A'의 전체 질량은 우리은하의 약 5000배에 달한다.

 연구진은 한국천문연구원, 한국고등과학원, 미국 퍼듀대·럿거스대가 공동 가동 중인 대규모 우주 탐사 프로젝트 'ODIN(오딘)'의 3년 치 관측 데이터를 기초 데이터로 활용했다.

칠레 세로톨로 천문대(CTIO)의 빅터 M. 블랑코 4m 망원경에 설치된 암흑에너지카메라(DECam)를 이용해 지난 3년간 100일 넘게 먼 우주의 은하와 거대 구조를 관측했다.

연구진은 이를 통해 약 100억~120억 광년 거리에 있는 원시은하단 150개를 찾아냈고, 이 가운데 은하 밀도가 특히 높은 'COSMOS-z3.1-A'와 'COSMOS-z3.1-C'를 골라 집중 분석했다.

ODIN 관측으로는 은하들이 하늘에서 어느 위치에 있는지 2차원 좌표까지만 파악할 수 있다. 실제 우주에서 각 은하가 얼마나 떨어져 있고 서로 어떻게 연결돼 있는지를 확인하려면 거리 정보가 추가로 필요하다.

이에 연구진은 암흑에너지분광장비(DESI), 제미니 망원경의 다천체분광기(GMOS), 켁Ⅱ 망원경의 다천체분광기(DEIMOS)를 활용해 후속 관측을 진행했다. 은하별 거리를 측정한 뒤 기존 2차원 위치 정보와 결합해 실제 공간 분포를 3차원으로 재구성했다.

특히 천문연 문병하·전은수 천문연 연구원은 원시은하단 안에 있는 거대한 가스 구름인 '라이만 알파 성운'을 찾고 후속 분광관측을 주도해 원시은하단과의 물리적 관계를 분석했다. 천문연은 국제 제미니천문대 파트너 기관으로서 제미니 망원경을 활용한 3차원 구조 관측에도 참여했다.

그 결과 연구진은 먼 우주에 있는 여러 원시은하단을 정밀한 3차원 지도로 구현했다. 이처럼 먼 거리의 다수 원시은하단을 상세한 3차원 구조로 재구성한 연구는 최초 사례 중 하나다.

이렇게 구현된 3차원 지도를 분석한 결과 COSMOS-z3.1-A와 COSMOS-z3.1-C는 모두 시간이 지나면 현재 우주에서 가장 거대한 은하단 가운데 하나인 '머리털자리 은하단(Coma Cluster)'보다 무거워질 것으로 나타났다.

특히 COSMOS-z3.1-A는 하나의 은하단으로 성장하는 단계를 넘어 여러 은하단이 모인 초은하단으로 발전할 '원시 초은하단'으로 확인됐다.

이 은하는 기존에 알려진 원시 초은하단 '하이페리온(Hyperion)'보다 더 이른 시기에 형성됐다. 연구진은 이처럼 극단적으로 무겁고 밀도가 높은 구조가 은하단 1만개당 하나도 되지 않을 정도로 희귀할 것으로 추정했다.

3차원 구조에서는 원시은하단이 하나로 매끄럽게 뭉친 형태가 아니라 여러 작은 덩어리가 불규칙하게 모여 있는 모습도 확인됐다. 이들은 여러 개의 '우주 거미줄 필라멘트'가 교차하는 지점에 자리하고 있었다. 이는 작은 우주 구조가 먼저 생긴 뒤 서로 합쳐지면서 점차 큰 구조로 성장한다는 '상향식 우주 구조 형성 모델'을 관측으로 뒷받침하는 결과다.

연구진은 현재 원시은하단을 이루는 여러 작은 구조가 시간이 흐르며 중력에 의해 합쳐지고, 결국 오늘날 가까운 우주에서 관측되는 크고 안정적인 은하단으로 성장할 것으로 보고 있다.

논문 제3저자인 문병하 박사는 "이번 연구는 우주 나이가 20억년에 불과하던 시기에 이미 거대한 우주 구조의 골격이 형성되고 있었음을 보여준다"며 "막연히 이론으로만 예측하던 초기 우주의 거대구조 형성 현장을 실제 3차원 관측 데이터로 직접 규명했다는 점에서 우주 진화 연구의 중요한 이정표가 될 것"이라고 말했다.

석지연 천문연 책임연구원은 "제미니 망원경을 이용한 다천체 분광 관측은 원시은하단 후보 은하들의 적색편이를 확인해 3차원 구조를 재구성하는 데 핵심적인 역할을 했다"며 "천문연이 국제공동 운영을 통해 확보한 제미니 망원경의 관측자료가 이번 세계적인 발견에 직접적으로 기여했다는 점에서 뜻깊다"고 밝혔다.

연구진은 이번에 활용한 3차원 구조 재구성 방법을 앞으로 원시은하단의 중심·외곽과 연결된 우주 필라멘트 구조를 정밀 분석하는 데 활용할 계획이다. 향후 베라 루빈천문대의 대규모 탐사자료와 ODIN 관측자료를 결합해 초기 우주에서 현재까지 은하와 은하단이 성장해온 과정도 추적할 예정이다.

이번 연구 결과는 국제학술지 '천체물리학저널(The Astrophysical Journal)'에 게재됐다.


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