[JWST 발사부터 현재까지] 새로운 제임스 웹 딥필드 사진 공개, 허블 우주망원경 결과와의 비교

과거를 보는 천문학, 미래를 연구하는 천문학

천문학은 과거로부터 우리에게 도달하는 빛을 이용해서, 천체들과 우주의 성질 및 특징을 연구하는 학문이다. 역사는 대부분 비슷하게 반복된다. 따라서, 과거를 알면 대부분 미래의 예측이 가능하다. 이와 비슷하게 과거의 빛을 연구하면 미래에 관해서 알 수 있다. 우리에게는 물리학 법칙이라는 변하지 않는 천문학을 푸는 강력한 도구와 열쇠가 있기 때문이다.

가장 오랜 역사를 자랑하며 현재도 매우 활발하게 성장하고 있는 천문학이지만, 여전히 풀리지 않는 수많은 궁금증이 있다. 오히려 우주에 관해서 알면 알수록 더 큰 궁금증이 생기고 있는 듯 보인다. 예를 들면, 첫 번째 별은 언제 생성되었을까? 첫 번째 은하는 어떻게 무슨 과정을 통해서 생성되었을까? 하는 의문들은 우주가 어떻게 시작되고 진화되고 있는지에 대한 답을 해결해주는 주춧돌 같은 질문이다.

은하는 어떻게 형성되고 진화하였을까?

천문학자들은 은하계 어느 장소에서 별이 어디에서 탄생하고 있는지 알기 위해서 뜨겁고 이온화된 가스가 풍부한 지역을 관측한다. 이러한 데이터가 쌓이고 쌓여서 별이 이미 존재했던 곳과 별이 풍부하게 태어나고 있는 지역을 구분할 수 있다.

하지만 첫 고대 은하가 형성되고 매우 오랜 시간이 지난 지금도 우리는 오래된 은하들이 어떤 과정을 거쳐서 오늘날과 같은 은하로 진화되었는지 정확히 알지 못한다. 이를 이해하기 위해서 여러 은하를 관측하여 이들의 적색편이 현상을 기반으로 가장 오래된 은하를 찾거나, 첫 은하가 형성되었다고 이론적으로 예측되고 있는 빅뱅 이후 첫 10억 년 시기의 여러 은하와 별을 관측하여 이들의 특징을 기반으로 은하가 실제로 첫 별을 형성한 시기, 최초의 은하 형성 시기 등 수많은 물리학적 특징을 예측하는 방법 등이 이용되고 있다.

제임스 웹, 허블의 울트라 딥필드 관측

2022년 10월 11일, 미항공우주국(NASA)의 제임스 웹 우주망원경은 2~4마이크로미터 파장으로 허블의 울트라 딥필드 (Hubble Ultra Deep Field) 영역을 관측했다. 울트라 딥필드 영역은 화로자리 Fornax 부분의 작은 영역인데, 허블 우주 망원경을 이용하여 2003년 9월 3일부터 2004년 1월 16일까지 대략 총 11일이 넘는 시간 동안 찍은 사진을 조합하여 만든 결과를 뜻한다. 위 울트라 딥필드는 우주 탄생 후 얼마 되지 않은 은하들을 포함하고 있으며 사진에는 대략 10,000개가 넘는 은하를 포함하고 있어서 큰 화제가 된 바 있다. 그렇다면 과연, 제임스 웹의 눈으로 바라본 허블의 울트라 딥필드 영역은 어떠한 모습일까?

문제는 오래된 은하와 우주를 관측하려면 더 많은 빛을 받기 위해 망원경의 노출시간 또한 길어져야 한다는 점이다. 하지만 제임스 웹의 가장 큰 장점은 깊은 우주를 관측하는 데 비교적 짧은 노출시간으로도 가능하다는 점이다. 또한, 제임스 웹 우주망원경은 적외선에 매우 민감한 망원경이기에 이러한 초기 우주를 보기에 특화되어있는 도구이다. 따라서 비교적 짧은 시간 동안에도 우주 역사에서 가장 흥미로운 시기와 이 시기에 은하가 어떻게 형성, 성장, 그리고 진화하고 있는지에 대한 큰 그림을 그릴 수 있는 망원경이다.

크리스티나 윌리엄스 박사 (Dr. Christina Williams), 마이클 마세다 박사 (Dr. Michael Maseda), 산드로 타첼라 박사(Dr. Sandro Tacchella)등이 이끄는 국제 연구팀은 제임스 웹 NIRCAM 기기의 중대역 이미지 필터(medium-band filters)를 이용하여 허블의 딥필드 영역을 관측할 것을 제안했다. (관측 프로그램 GO 1963 – PI: C. Williams)

물론 두 망원경의 관측 파장이 다르기에 결과는 다를 수밖에 없지만, 중요한 점은 같은 지역의 비슷한 정보를 얻는데, 20시간 정도면 충분했다는 점이다.

NIRCAM 기기의 중대역 필터는 광대역 필터보다 더 짧은 파장을 이용하기에 결과적으로 재이온화 시대와 같은 우주의 첫 10억 년 동안 별 형성의 역사와 은하의 이온화 특성을 이해하는 데 도움이 될 수 있다. ⓒ NASA, ESA, CSA, STScI, Christina Williams (NSF’s NOIRLab), S. Tacchella (Cambridge), Michael Maseda (UW-Madison), Joseph DePasquale (STScI)

위 사진은 파란색으로 표시된 1.8 마이크로미터를 이용하여 촬영된 (파란색 표시: F182M 필터 사용) 관측, 2.1 마이크로미터를 이용하여 촬영된 (녹색 표시: F210M 필터 사용) 관측, 4.3 마이크로미터를 이용하여 촬영된 (노란색 표시: F430M 필터 사용) 관측, 4.6마이크로미터를 이용하여 촬영된 (주황색 표시: F460M 필터 사용) 관측, 4.8마이크로미터를 이용하여 촬영된 (빨간색 표시: F480M 필터 사용) 관측을 합성한 이미지이다. (고해상도 사진 보러 가기)

중대역 필터는 광대역 필터보다 더 짧은 파장을 이용하기에 결과적으로 재이온화 시대와 같은 우주의 첫 10억 년 동안 별 형성의 역사와 은하의 이온화 특성을 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 또한, 당시 은하가 생성한 에너지를 측정하면 은하가 어떻게 우주를 이온화하였는지에 대한 해답을 찾는데 한 걸음 더 다가갈 수 있다.

허블 우주망원경과의 결과 비교, 겨우 1/10의 시간을 투자하여 비슷한 깊은 우주를 관측함은 우주를 이해하는 데 필요한 시간이 훨씬 더 짧아질 수 있음을 의미한다. ⓒ NASA, ESA, CSA, STScI, Christina Williams (NSF’s NOIRLab), S. Tacchella (Cambridge), Michael Maseda (UW-Madison), Joseph DePasquale (STScI)

먼저 관측 결과를 살펴보면 상당히 넓은 영역에 걸쳐서 이온화된 가스가 발견되었다. 허블보다 (왼쪽: Wide Field Camera 3 기기를 이용하여 총 노출시간 11.3일) 훨씬 더 짧은 시간(오른쪽: 총 노출시간 약 20시간)을 가지고도 매우 높은 해상도를 보여주고 있다. 겨우 1/10의 시간을 투자하여 비슷한 깊은 우주를 관측함은 우주를 이해하는 데 필요한 시간이 훨씬 더 짧아질 수 있음을 의미한다. 또한, 적외선에 특화된 관계로 허블 이미지에서 볼 수 없었던 여러 붉은색의 은하를 볼 수 있다. (고해상도 이미지 보러 가기)

은하를 이해하기 위한 다양한 도구들

은하는 공간적 그리고 시간적으로 매우 다양한 규모에 걸쳐서 수많은 물리학적 과정이 일어나고 있는 매우 복잡한 천체이다. 따라서 위 은하를 이해하려면 여러 다른 도구를 통하여 각자 다른 도구만의 장점을 이용하여 이를 종합하는 편이 현명하다. 예를 들면, 초대형 망원경(VLT: Very Large Telescope)의 MUSE(다중 단위 분광 탐사기)와 같은 지상 관측 기기는 이온화가 끝날 때 존재했던 은하(라이만-알파 방출: 이온화된 수소에서 나오는 빛을 가진 은하)를 찾는 데 매우 효과적이다.

반면, 제임스 웹 우주망원경은 적외선에 매우 민감한 망원경이며 높은 해상도로 이온화된 가스를 매우 수월하게 추적할 수 있는 망원경이다. 또한, 제임스 웹의 중대역 필터는 천체를 직접 촬영하는 이미징 기법과 동시에 다양한 파장의 분광기를 이용하여 관측 사진에 담긴 모든 천체의 화학적인 정보를 얻을 수 있다는 큰 장점이 있다. 기존의 분광계는 몇 개의 은하만을 선택하여 선별적인 연구를 진행해야 했지만, 제임스 웹의 경우는 매우 빠르며 효과적인 관측이 가능하다. 이처럼, 제임스 웹 우주망원경은 모든 면에서 기존의 여러 망원경을 뛰어넘는 능력을 보여주고 있다.

[출처] : https://www.sciencetimes.co.kr/news/%ec%a0%9c%ec%9e%84%ec%8a%a4-%ec%9b%b9-%ec%83%88%eb%a1%9c%ec%9a%b4-%eb%b3%84-%ed%98%95%ec%84%b1%ea%b3%bc-%ec%9d%80%ed%95%98%eb%a5%bc-%ec%9e%90%ec%84%b8%ed%9e%88-%ea%b4%80%ec%b8%a1%ed%95%98%eb%8b%a4/?cat=132#.ZEtVVhGDcmA.link