연세대 지명국 교수팀, 초기 은하단에서 풍부한 양의 은하단내광 검출

연세대 지명국 교수팀, 초기 은하단에서 풍부한 양의 은하단내광 검출

- 우주 초기 다량으로 만들어진 떠돌이별이 암흑물질의 ‘보이는 추적자’로서 작용 가능

- 암흑물질 이해에 한 걸음 더 다가갈 수 있는 중요한 발견

- 최상위 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’ 게재

연세대학교 지명국 교수(천문우주학과) 연구팀은 나사(NASA) 허블우주망원경을 이용해 초기 은하단에서 떠돌이별이 만들어내는 은하단내광을 검출하고, 이를 통해 떠돌이별이 우주 초기에 다량으로 만들어졌음을 입증했다. 이는 떠돌이별이 암흑물질의 ‘보이는 추적자’로서 작용할 수 있음을 의미하며, 은하단내광을 이용해 미지의 암흑물질 이해에 크게 한 걸음 다가갈 수 있을 것으로 기대된다.

우주를 구성하는 물질 총 질량의 85%는 아직까지 그 정체가 알려지지 않은 암흑물질(dark matter)이다. 암흑물질은 이들이 만들어내는 중력에 의해 처음 발견됐으나 일반 물질과는 중력 이외에는 상호작용을 하지 않으며 눈에 보이지도 않아 그 정체는 21세기 물리학의 최대 난제 중 하나로 남아 있다.

은하단내광(Intracluster Light; ICL)은 수백 개의 은하가 모여 있는 은하단에서 은하와 은하 사이에 떠도는 별들이 만들어 내는 빛이다. 이 떠돌이별은 개별 은하에는 구속돼 있지 않으나 은하단 전체가 만들어내는 중력에는 여전히 묶여 있어 은하단 내 암흑물질 탐사에 있어서 ‘보이는 추적자(visible tracer)’ 역할을 할 수 있어 최근 학계의 큰 관심을 받고 있다. 그러나 이 떠돌이별이 처음에 어떻게 개별 은하를 탈출해 지금처럼 은하단 내를 자유롭게 떠돌게 됐는지 그 기원은 지금까지 알려지지 않았었다.

망원경은 과거를 보는 타임머신이기 때문에 떠돌이별의 기원, 즉 과거를 알기 위해서는 매우 멀리 있는 우주 초기의 은하단을 관측해야 한다. 만약 우주 초기의 어린 은하단에서 은하단내광이 거의 존재하지 않는다면 떠돌이별은 비교적 최근에 만들어졌고 이것은 은하에 속한 별들이 조석력에 의해 점차 은하의 중력을 이기고 밖으로 나오게 됐음을 의미한다. 반면, 어린 은하단에서 오늘날 우주와 크게 다름없이 풍부한 떠돌이별이 발견된다면 이는 떠돌이별이 우주 초기에 다량으로 만들어졌음을 의미한다. 후자의 경우 떠돌이별은 오랜 기간 은하단의 역학적 진화에 함께 참여했기 때문에 암흑물질의 보이는 추적자로서 그 진가를 더할 수 있으나, 현재까지 국제 천문학 주류 이론은 전자를 지지해 왔다.

허블우주망원경으로 관측한 은하단내광 사진. 4228 X 2114, PNG (15.57 MB) SCIENCE: NASA, ESA, STScI, James Jee (Yonsei University). IMAGE PROCESSING: Joseph DePasquale (STScI) 

왼쪽은 85억 년 전 과거 우주에서 발견된 MOO1014 은하단, 

오른쪽은 82억 년 전 과거 우주에서 발견된 SPT2106 은하단을 보여준다. 

(그림에서 오렌지 색깔로 보이는 수백 개의 천체들은 은하단을 구성하는 개별 은하들이고 푸른색으로 나타낸 것이 은하단내광이다. 이 은하단내광의 밝기는 은하단 전체 밝기의 약 17%를 차지한다. 지금까지는 주류 이론에서는 이처럼 먼 과거의 우주에서는 은하단내광이 아직 만들어지기 전이라 믿어 왔으나 본 관측 연구로 은하단내광의 기존 생성 이론이 크게 수정돼야 함을 밝혔다. 또한 이처럼 초기 은하단에서 은하단내광이 풍부하다는 사실은 이들이 보이지 않는 암흑물질의 ‘보이는 추적자’로 사용될 수 있음을 시사한다.)

멀리 떨어져 있는 우주 초기의 은하단에서 떠돌이별이 만들어내는 빛은 밤하늘의 밝기에 비해 약 10,000배 이상 어둡기 때문에 지금까지는 신뢰할 만한 관측 자료를 얻는 데 많은 어려움이 있었다. 연세대 연구팀은 미국 나사(NASA)의 허블우주망원경을 이용해 현재 우주 나이의 1/3에 불과한 초기 은하단 10개에서 떠돌이별이 만들어내는 은하단내광을 검출하는 데 성공했다. 이들이 측정한 은하단내광의 밝기는 놀랍게도 은하단 전체가 만들어내는 총 광량의 약 17%로 오늘날 가까운 우주에서 측정한 결과와 매우 유사하다. 

이는 앞에서 언급한 두 가지 가능성 중 후자에 해당하는 결과로서 기존 주류 이론을 정면으로 반박하는 결과이며, 또한 은하단내광을 이용한 암흑물질 연구가 매우 유망함을 시사한다. 작년 12월에 발사돼 현재 가동 중인 나사(NASA)의 제임스웹망원경은 허블우주망원경보다 10배가량 뛰어난 집광력을 가지기 때문에 앞으로 은하단내광 연구에 있어 더욱 괄목할 만한 발전을 가져올 것으로 기대되고 있다.

본 연구는 교육부와 한국연구재단이 주관하는 중견연구자지원사업과 연세대 미래선도과제(Future-Leading Research Initiative)의 지원으로 수행됐다. 연세대 지명국 교수(교신저자)와 주형진 연구원(제1저자)이 함께 연구를 수행했으며, 연구 결과는 국제 최상위 학술지인 영국 ‘네이처(Nature)’ 지에 1월 5일 게재됐다.