※ 본 보도자료는 천문연, NOIRLab, 퍼듀대학교의 공동 보도자료입니다.

우주에서 역대 가장 먼 원시 초은하단 발견

- 우리은하 질량의 약 5,000배

- 천문연 연구진 후속 분광관측 주도…정밀 3D 지도 구현

- 은하단 성장과 ‘우주 거미줄’ 연결 확인

한국천문연구원(원장 박장현, 이하 ‘천문연’)이 참여한 국제 공동 연구진이 지금까지 발견된 것 가운데 가장 멀리 떨어져 있는 무거운 원시 초은하단(proto-supercluster)*을 발견했다. 

※  원시초은하단(proto-supercluster): 은하단은 수백 개에서 수천 개의 은하가 중력으로 묶여 있는 우주 최대 규모의 중력 결합 구조다. 원시 초은하단은 여러 은하단이 모인 초은하단(supercluster)으로 성장하기 전 단계의 거대구조다. 오늘날 가까운 우주에서 관측되는 성숙한 은하단은 초기 우주의 원시은하단(proto-cluster)에서 시작해 작은 구조들이 서로 합쳐지면서 성장한 것으로 알려져 있다. 먼 우주의 원시은하단을 관측하면 이러한 은하단의 형성과 진화 과정을 거슬러 살펴볼 수 있다. 

이번에 발견한 우리은하 질량의 약 5,000배에 달하는 원시 초은하단 ‘COSMOS-z3.1-A’는 우주의 나이가 약 20억 년일 때 형성된 초기 우주의 거대구조다. 이는 지금까지 발견된 원시 초은하단 중 가장 멀리 떨어져 있을 뿐만 아니라, 역대 최대 규모의 질량을 가진 것으로 나타났다.

이번 연구에는 천문연과 한국고등과학원, 미국 퍼듀대학교 및 럿거스대학교가 공동 운영하는 대규모 탐사 프로젝트 ‘ODIN(One-hundred-deg² DECam Imaging in Narrowbands)’의 관측자료가 활용됐다. ODIN은 칠레 세로톨로로  천문대(CTIO)의 빅터 M. 블랑코 4m 망원경에 장착된 암흑에너지카메라(DECam)를 이용해 지난 3년간 100일 이상 관측을 수행하며 먼 우주의 은하와 거대 구조를 탐사해왔다. 지금까지 연구진은 ODIN 탐사를 통해 약 100억~120억 광년 떨어진 150개의 원시은하단을 찾아냈다. 이 가운데 은하가 특히 높은 밀도로 모여 있는 두 구조 ‘COSMOS-z3.1-A’와 ‘COSMOS-z3.1-C’를 선정해 집중 분석했다.

ODIN 탐사관측을 통해서는 이들 원시은하단을 구성하는 은하가 하늘의 어느 위치에 있는지 2차원 좌표를 파악할 수 있다. 하지만 이들이 실제 우주 공간에서 어떻게 분포하고 서로 연결돼 있는지를 밝히기 위해서는 각 은하까지의 거리 정보가 필요하다.

이에 연구진은 암흑에너지분광장비(DESI), 제미니 망원경의 다천체분광기(GMOS), 켁Ⅱ 망원경의 다천체분광기(DEIMOS) 등을 이용해 후속 분광관측을 수행했다. 이를 통해 각 은하까지의 거리를 측정하고, ODIN의 2차원 위치 정보와 결합해 은하들의 실제 공간 분포를 3차원으로 재구성했다.

특히 천문연 문병하, 전은수 연구원은 원시은하단 내에 존재하는 거대한 가스 구름인 '라이만 알파 성운'을 탐색하고 후속 분광 관측을 주도하여 이들과 원시은하단 간의 물리적 관계를 규명했다. 뿐만 아니라, 천문연은 국제 제미니천문대(International Gemini Observatory)의 파트너 기관으로, 이번 연구에서도 제미니 망원경의 다천체분광기를 활용해 원시은하단의 3차원 구조를 밝히기 위한 관측을 수행했다.

그 결과, 연구진은 먼 우주에 있는 다수의 원시은하단에 대한 정밀한 3차원 우주지도를 제작하는 데 성공했다. 이처럼 먼 우주에 존재하는 여러 원시은하단을 상세한 3차원 구조로 구현한 것은 이번 연구가 최초 사례 중 하나다.

3차원 지도를 분석한 결과, COSMOS-z3.1-A와 COSMOS-z3.1-C는 모두 시간이 흐르면 가까운 우주에서 가장 거대한 은하단 중 하나인 머리털자리 은하단(Coma Cluster)보다 더 무거운 은하단으로 성장할 것으로 나타났다. 특히 COSMOS-z3.1-A는 단일 원시은하단을 넘어, 여러 은하단이 모인 초은하단으로 성장할 ‘원시 초은하단’인 것으로 밝혀졌다. COSMOS-z3.1-A는 기존에 알려진 원시 초은하단인 ‘하이페리온(Hyperion)’보다도 더 이른 시기에 형성된 구조다. 연구진은 이처럼 극단적으로 무겁고 밀도가 높은 구조가 은하단 1만 개당 하나 미만으로 존재할 정도로 매우 희귀할 것으로 추정한다.

또한 연구진 또한 3차원 지도를 통해 이들 원시은하단이 하나의 매끄러운 구조가 아니라 여러 개의 작은 덩어리가 모인 불규칙한 형태를 띠며, 여러 우주 거미줄 필라멘트(cosmic web filament)가 교차하는 지점에 자리한다는 사실을 확인했다. 이는 작은 구조가 먼저 형성되고 이후 서로 병합하면서 더 큰 구조를 이룬다는 기존의 ‘상향식(bottom-up) 우주 구조 형성 모델’을 관측적으로 뒷받침하는 결과다.

현재 이들 원시은하단을 구성하는 여러 작은 구조는 시간이 흐르면서 중력에 의해 서로 합쳐지고, 결국 오늘날 가까운 우주에서 관측되는 크고 안정적인 은하단으로 진화할 것으로 연구진은 보고 있다.

  본 논문의 제3저자이자 ODIN 탐사관측팀에서 핵심 역할을 한 문병하 박사(8월 UST 졸업)는 “이번 연구는 우주 나이가 20억 년에 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 설명했다.

  한편, 제미니 국제천문대의 한국측 운영 책임자인 천문연 석지연 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 덧붙였다.

이번 연구에서 제시한 3차원 구조 재구성 방법론은 향후 원시은하단의 중심과 외곽을 구분하고 이들과 연결된 우주 필라멘트의 구조를 정밀하게 파악하는 데 활용될 전망이다. 또한 향후 베라 루빈천문대(Vera C. Rubin Observatory)가 수행하는 대규모 탐사 관측자료와 ODIN 자료를 결합해 초기 우주부터 현재까지 은하와 은하단이 어떻게 성장하고 진화해왔는지를 보다 정밀하게 추적할 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구 결과는 국제학술지 The Astrophysical Journal에 게재됐다. (보도자료 끝. 추가자료 있음.)

* 대표 이미지 

그림 1. 새로 발견된 원시 초은하단 (COSMOS-z3.1-A) 영역을 포착한 컬러 이미지. ODIN 탐사관측의 협대역 필터 데이터를 합성해 제작했다. 원시 초은하단은 훗날 중력에 의해 결합하여 거대한 초은하단으로 성장할 구조다. COSMOS-z3.1-A는 지구로부터 약 120억 광년 떨어져 있으며, 우리은하 질량의 약 5,000배에 달하는 거대한 규모를 자랑하는, 지금까지 발견된 것 중 가장 멀고 무거운 원시 초은하단이다. 다만, 이 이미지에서는 구조 앞뒤로 빼곡히 자리한 수많은 배경 및 전경 은하들 때문에 원시 초은하단을 구성하는 은하들만 시각적으로 구분해 내기는 매우 어렵다.