제임스 웹, 85억 년 전의 '해파리 은하' 발견

제임스 웹 우주 망원경(James Webb Space Telescope)의 데이터에서, 워털루 대학교(University of Waterloo) 연구팀이 약 85억 년 전에 빛을 내보낸 "해파리(jellyfish)" 은하 후보를 식별했다. COSMOS 필드에 대한 JWST 관측에서 발견되어 적색편이 z = 1.156으로 분류된 이 천체는, 인근 해파리 계에서 정의되는 길고 촉수 같은 가스 흐름과 젊은 별들의 흔적을 보여준다. "The Astrophysical Journal"에 "JWST Reveals a Candidate Jellyfish Galaxy at z=1.156"이라는 제목으로 발표된 이번 발견은, 천문학자들이 이전에 확인했던 것보다 우주 역사에서 훨씬 더 이른 시기에 환경적 박리(environmental stripping) 현상이 발생했음을 입증한다.

COSMOS 필드에서의 제임스 웹 우주 망원경 발견

희미하고 먼 은하들을 선명하게 관측할 수 있도록 정밀하게 선택된 깊고 정돈된 하늘 영역인 COSMOS 필드는 그동안 수많은 조사의 주춧돌 역할을 해왔다. 연구진은 이 잘 알려진 지역의 JWST 이미지와 분광 데이터를 재검토했으며, 주변 환경에 의해 활발하게 변형되고 있는 은하의 징후를 찾던 중 이 해파리 은하 후보를 발견했다. COSMOS 필드는 전경 오염이 최소화되어 있고 매우 깊은 다파장 관측 범위를 가지고 있기 때문에, JWST의 적외선 감도를 통해 우주론적 거리로 인해 늘어나고 붉게 변했지만 여전히 공간적으로 분해 가능한 특징들을 포착할 수 있었다.

워털루 천체물리학 센터(Waterloo Centre for Astrophysics)의 반팅 박사후 연구원(Banting Postdoctoral Fellow)인 Ian Roberts 박사는 이번 발견을 예상치 못한 수확이라고 설명했다. 연구팀은 데이터 세트를 훑어보던 중 독특한 형태, 즉 조밀한 핵과 길게 끌리는 필라멘트 구조를 가진 기록되지 않은 먼 은하를 발견했다. 근적외선 영역에서의 JWST 분해능과 COSMOS의 층화된 데이터가 결합되어, 연구팀은 은하의 적색편이를 측정하고 우주 역사의 초기 단계인 밀도가 높은 환경에서 활발하게 박리가 일어나고 있는 시스템의 물리적 이미지를 구성할 수 있었다.

해파리 은하란 무엇인가?

해파리 은하는 이동하는 은하 뒤로 길게 늘어진 가스와 새로 형성된 별들로 이루어진 촉수 모양의 꼬리 때문에 이름 붙여진 형태학적 분류이다. 이러한 꼬리는 단순히 장식적인 것이 아니다. 은하가 은하단을 채우고 있는 뜨겁고 밀도가 높은 가스 사이를 돌진할 때 형성된다. 은하의 성간 가스에 작용하는 이러한 은하단 내 매질(intracluster medium)의 압력(램 압력 박리(ram-pressure stripping)라고 알려진 과정)은 자동차에서 뿜어져 나오는 물보라를 날려버리는 바람처럼 은하에서 물질을 쓸어내며, 가스가 식고 붕괴하여 새로운 별이 되는 가늘고 긴 흐름을 남긴다.

허블 망원경 및 지상 망원경으로 관측된 인근의 사례들은 꼬리 부분에서 별이 형성되는 장관인 매듭 구조와 은하 원반에서 별 형성이 갑자기 중단되는 현상을 보여준다. z = 1.156 후보가 주목받는 이유는 우주가 훨씬 젊었을 때도 동일한 물리학적 작용이 일어나고 있었음을 보여주기 때문이며, 이는 표준 모델이 예측했던 것보다 더 이른 시기에 은하단 환경이 은하에 적대적이었을 수 있음을 암시한다.

초기 은하단 박리에 대한 제임스 웹 우주 망원경의 증거

이번 발견 전까지 천문학자들은 강한 램 압력 박리를 일으킬 만큼 거대한 은하단이 적색편이 1 주변의 시대에는 드물 것이라고 생각했다. 새로운 후보는 85억 년 전의 룩백 타임(lookback time)에 해당하는 z = 1.156에서 박리 현상과 일치하는 명확한 형태학적 징후를 보여준다. 이 시기는 거대 은하단이 잘 정착된 현재 시대보다 훨씬 앞선 시기로, 박리를 일으킬 수 있는 원시 은하단(protoclusters)이나 밀도가 높은 환경이 이미 은하를 활발하게 재형성하고 있었음을 시사한다.

여기에는 두 가지 함의가 있다. 첫째, 별 형성을 억제하고 가스가 풍부한 나선 은하를 수동적인 은하단 거주 은하로 바꾸는 환경적 과정이 많은 시뮬레이션에서 예측한 것보다 더 일찍, 더 광범위하게 효과적이었을 수 있다. 둘째, 이러한 은하의 존재는 오늘날 은하단에서 발견되는 수많은 "죽은" 은하들의 형성 메커니즘을 제공한다. 가스 박리는 별 형성의 종말을 가속화하여, 은하단 중심부를 지배하는 붉고 활동이 중지된 시스템을 남긴다.

JWST가 꼬리를 포착한 방법: 이미징과 문맥

근적외선 및 중적외선 파장에 최적화된 JWST의 장비들은 가시광선이 적외선으로 적색편이된 먼 은하의 구조를 분해하는 데 매우 중요하다. 실질적으로 이는 JWST가 별빛과 먼지에 의해 재처리된 방출을 이미지화하여, 우주론적 거리에서도 해파리 은하의 조밀한 별 핵과 확장된 희미한 필라멘트를 모두 드러낼 수 있음을 의미한다. 뜨거운 은하단 내 가스를 추적하는 X-선 지도부터 환경적 문맥을 제공하는 지상 기반 분광 데이터에 이르기까지 COSMOS 필드의 광범위한 보조 데이터는 연구자들이 이 은하가 실제로 밀도가 높은 환경에 있는지 아니면 단순히 그 근처에 투영된 것인지를 해석하는 데 도움을 준다.

논문에서는 이 천체를 반박할 수 없는 사례라기보다는 강력한 후보로 제시하고 있지만, 형태학적 증거와 적색편이의 결합은 이 은하를 박리를 겪고 있는 가장 초기 단계의 설득력 있는 사례 중 하나로 자리매김하게 한다. 후속 JWST 관측과 정밀한 X-선 또는 라디오 데이터는 주변의 뜨거운 매질의 존재를 확인하고 시스템의 역학을 더 확고히 규명하는 데 도움이 될 수 있다.

이 발견이 은하 진화에 중요한 이유

은하는 내부적 과정과 외부적 과정의 혼합을 통해 진화한다. 별 형성 과정에서의 가스 소모, 초신성 및 활동성 은하 핵의 피드백과 같은 내부적 과정은 환경과 무관하게 작동한다. 조석 상호작용 및 램 압력 박리와 같은 외부적 과정은 주변 환경에 의존한다. z ≈ 1.156에서 박리된 은하를 발견한 것은 균형을 변화시킨다. 이는 우주가 현재 나이의 약 절반이었을 때 이미 환경 주도의 변형이 중요했음을 보여준다.

이러한 변화는 은하의 조립 및 억제 모델에 구체적인 영향을 미친다. 관측된 은하의 인구 통계를 재현하려는 시뮬레이션은 이제 적어도 일부 지역에서 더 강력하거나 더 이른 환경적 효과를 고려해야 한다. 관측 천문학 측면에서 이번 발견은 JWST가 이전에는 흐릿하거나 통합된 신호로만 접근 가능했던 룩백 타임에서 은하와 주변 환경의 상호작용을 분해할 수 있음을 입증한 것이다.

다음 단계: 후보 확정 및 이웃 지역 매핑

제임스 웹 우주 망원경은 연구팀들이 COSMOS와 같은 광대한 탐사 필드를 새로운 감도와 분해능으로 재처리함에 따라 계속해서 놀라움을 선사하고 있다. 높은 적색편이에서 새롭게 식별된 각 천체는 단순한 데이터 포인트가 아니라 우주 시간에 걸쳐 은하를 형성하는 물리적 과정을 탐구하는 도구이며, z = 1.156 해파리 은하 후보는 깊은 적외선 시력이 젊은 우주에 대한 우리의 서사를 어떻게 재구성하는지를 보여주는 생생한 사례이다.

출처

• The Astrophysical Journal (연구 논문: "JWST Reveals a Candidate Jellyfish Galaxy at z=1.156")
• 워털루 대학교 (University of Waterloo, Waterloo Centre for Astrophysics)
• 제임스 웹 우주 망원경 (James Webb Space Telescope, NASA/ESA/CSA 관측)
• COSMOS (Cosmic Evolution Survey)