초기 우주 은하의 '안에서 밖으로' 성장 포착

천문학자들이 NASA/ESA 제임스 웹 우주 망원경(JWST)을 사용하여 빅뱅 이후 불과 7억 년밖에 지나지 않은 초기 우주에서 은하의 '안에서 밖으로' 성장을 관측했습니다. 이 은하는 우리 은하보다 100배나 작지만, 초기 우주 치고는 놀라울 정도로 성숙한 모습을 보입니다. 마치 대도시처럼 이 은하는 중심부에 밀집된 별들을 가지고 있지만, 은하의 '교외'로 갈수록 밀도가 낮아집니다. 또한 대도시처럼 이 은하는 바깥쪽에서 별 형성이 가속화되면서 확장을 시작하고 있습니다.

 

최초의 '안에서 밖으로' 은하 성장 관측

이번 관측은 '안에서 밖으로'의 은하 성장이 포착된 가장 초기 사례입니다. 웹 이전에는 우주 역사 초기에 은하 성장을 연구하는 것이 불가능했습니다. 웹으로 얻은 이미지는 시간의 스냅샷을 나타내지만, 케임브리지 대학이 주도하는 연구진은 유사한 은하를 연구하면 가스 구름에서 오늘날 우리가 관측하는 복잡한 구조로 어떻게 변형되는지 이해하는 데 도움이 될 수 있다고 말합니다. 이 연구 결과는 네이처 천문학 저널에 발표되었습니다.

 

 

웹 망원경으로 열린 새로운 가능성

케임브리지 캐번디시 연구소의 공동 주 저자인 산드로 타켈라 박사는 "은하가 우주 시간 동안 어떻게 진화하는지에 대한 질문은 천체 물리학에서 중요한 질문입니다."라고 말했습니다. 그는 "지난 천만 년 동안과 우리 은하 주변의 은하에 대한 훌륭한 데이터가 많이 있었지만, 이제 웹을 통해 수십억 년 전의 관측 데이터를 얻어 우주 역사의 첫 10억 년을 탐사할 수 있게 되었으며, 이는 모든 종류의 새로운 질문을 제기합니다."라고 덧붙였습니다. 즉, 웹 망원경의 뛰어난 성능 덕분에 이전에는 관측할 수 없었던 초기 우주의 은하들을 관측할 수 있게 되었고, 이를 통해 은하 진화에 대한 새로운 연구가 가능해진 것입니다.

 

초기 우주 은하 성장의 메커니즘

오늘날 우리가 관측하는 은하는 두 가지 주요 메커니즘을 통해 성장합니다. 새로운 별을 형성하기 위해 가스를 끌어들이거나 축적하거나, 더 작은 은하와 합병하여 성장합니다. 초기 우주에서 다른 메커니즘이 작동했는지는 천문학자들이 웹을 통해 해결하고자 하는 미해결 질문입니다. 이번 연구는 초기 우주 은하의 성장 방식에 대한 중요한 단서를 제공하며, 향후 웹 망원경을 활용한 추가 연구를 통해 초기 우주 은하의 진화 과정에 대한 이해가 더욱 깊어질 것으로 기대됩니다.

 

 

은하 성장: 회전하는 피겨 스케이터와 유사한 원리

타켈라 박사는 "은하는 자체 중력에 의해 가스 구름이 붕괴되면서 작게 시작하여 매우 밀도가 높은 별의 핵과 어쩌면 블랙홀을 형성할 것으로 예상합니다."라고 말했습니다. 그는 "은하가 성장하고 별 형성이 증가함에 따라 마치 회전하는 피겨 스케이터와 같습니다. 스케이터가 팔을 안으로 당기면 운동량이 모여 점점 더 빠르게 회전합니다. 은하도 이와 다소 유사하며, 나중에 더 먼 거리에서 가스가 축적되어 은하를 회전시키기 때문에 종종 나선형 또는 원반 모양을 형성합니다."라고 덧붙였습니다. 즉, 가스가 중심부로 모이면서 회전 속도가 빨라지고, 이로 인해 은하의 형태가 결정된다는 것입니다.

 

 

JADES 협력을 통해 관측된 초기 우주 은하

JADES(JWST Advanced Extragalactic Survey) 협력의 일환으로 관측된 이 은하는 초기 우주에서 활발하게 별을 형성하고 있습니다. 이 은하는 매우 밀도가 높은 핵을 가지고 있으며, 비교적 젊은 나이에도 불구하고 현재의 거대한 타원 은하와 비슷한 밀도를 가지고 있습니다. 현재의 거대한 타원 은하는 이 은하보다 1000배 더 많은 별을 가지고 있습니다. 대부분의 별 형성은 핵에서 더 멀리 떨어진 곳에서 일어나고 있으며, 훨씬 더 바깥쪽에는 별 형성 '덩어리'가 있습니다.

 

바깥쪽으로 확산되는 별 형성 활동

별 형성 활동은 바깥쪽으로 향할수록 강하게 증가하며, 별 형성이 확산되고 은하의 크기가 커집니다. 이러한 유형의 성장은 이론 모델에서 예측되었지만, 웹을 통해 이제 관측할 수 있게 되었습니다. 즉, 이론적으로만 예측되었던 현상이 실제 관측을 통해 확인된 것입니다. 공동 저자인 윌리엄 베이커 박사 과정생은 "웹이 천문학자인 우리에게 매우 혁명적인 이유 중 하나는 모델링을 통해 이전에 예측했던 것을 이제 관측할 수 있다는 것입니다. 마치 숙제를 확인할 수 있는 것과 같습니다."라고 말했습니다.

 

 

웹 망원경을 활용한 데이터 분석

연구진은 웹을 사용하여 은하에서 방출된 빛을 여러 파장에서 추출하여 젊은 별과 늙은 별의 수를 추정하는 데 사용했으며, 이를 통해 별의 질량과 별 형성 속도를 추정했습니다. 즉, 웹 망원경이 제공하는 다양한 파장의 데이터를 분석하여 은하의 물리적 특성을 정량적으로 분석할 수 있었던 것입니다.

 

 

정밀한 데이터 분석: '순방향 모델링' 기법 활용

은하가 매우 콤팩트하기 때문에, 은하의 개별 이미지는 기기 효과를 고려하기 위해 '순방향 모델링'되었습니다. 가스 방출과 먼지 흡수에 대한 처방을 포함하는 항성 집단 모델링을 사용하여, 연구진은 핵에서 더 오래된 별을 발견한 반면, 주변의 원반 구성 요소는 매우 활발한 별 형성을 겪고 있습니다. 즉, 관측된 데이터를 바탕으로 은하의 실제 모습에 더욱 가깝게 모델링하는 과정을 거친 것입니다.

 

 

빠른 속도의 외곽 성장: 우리 은하의 1000배

이 은하는 외곽에서 약 1천만 년마다 항성 질량을 두 배로 늘리는데, 이는 매우 빠른 속도입니다. 우리 은하는 100억 년마다 질량을 두 배로 늘리는 것에 비해 매우 빠른 성장 속도를 보여주는 것입니다. 즉, 초기 우주의 은하들은 현재의 은하들에 비해 훨씬 더 빠른 속도로 성장했을 가능성을 시사합니다.

 

높은 밀도와 빠른 별 형성 속도: 초기 우주의 환경 반영

은하 핵의 밀도와 높은 별 형성 속도는 이 젊은 은하가 새로운 별을 형성하는 데 필요한 가스가 풍부하다는 것을 시사하며, 이는 초기 우주의 다른 조건을 반영할 수 있습니다. 즉, 현재의 우주와는 다른 환경에서 은하들이 성장했을 가능성을 보여주는 것입니다. 예를 들어, 초기 우주에는 현재보다 가스가 훨씬 풍부했을 것으로 추정됩니다.

 

 

향후 연구 방향: 다양한 은하 관측을 통한 성장 주기 재구성

타켈라 박사는 "물론 이것은 하나의 은하일 뿐이므로, 당시 다른 은하들이 무엇을 하고 있었는지 알아야 합니다."라고 말했습니다. 그는 "모든 은하가 이 은하와 같았을까요? 우리는 현재 다른 은하의 유사한 데이터를 분석하고 있습니다. 우주 시간 동안 여러 은하를 관측함으로써 성장 주기를 재구성하고 은하가 오늘날의 최종 크기로 어떻게 성장하는지 보여줄 수 있을 것입니다."라고 덧붙였습니다. 즉, 이번 연구는 초기 우주 은하 진화 연구의 중요한 시작점이며, 앞으로 더 많은 은하들을 관측하고 데이터를 분석함으로써 초기 우주 은하의 성장 과정을 더욱 명확하게 밝혀낼 수 있을 것으로 기대됩니다.