"우주 적외선 배경복사, 은하 바깥 항성들에서도 비롯"

흔히 천체의 단위를 헤아릴 때 이렇다. '은하단은 작은 은하들을 거느리고, 은하는 수백억, 수천억 개의 항성(별)을
거느리고, 다시 항성은 작은 행성들을 거느리고….' 그래서 아주 먼 곳의 은하가 작은 빛의 점으로 빛나는 것은 빛을 내는
무수한 항성들이 그곳에 몰려 있기 때문이다. 그런데 은하의 울타리에서 벗어나 동떨어져 빛을 내는 항성은 없는걸까?
최근 우주 공간에 희미하게 퍼져 있는 적외선 빛을 관측해보니, 은하들에서 나오는 빛의 세기만큼이나 많은 빛이 또다른
곳에서 만들어져 우주에 넓게 퍼져 있는 것으로 나타났다는 관측 결과 보고가 나왔다. 이는 은하 내부 항성들의 빛에
견줄 만한 빛이 우주에 널리 퍼져 있음을 뜻하며, 즉 은하 바깥에도 빛을 내는 항성들이 무수히 존재할 가능성을 보여주는
것이어서 눈길을 끈다. 미국 과학저널 <사이언스>에는 “우주의 또 다른 절반? 이전에는 몰랐던 대규모 항성들이 은하들의
사이 공간에 있다”라는 조금은 성급한 제목의 전문가 해설도 실렸다.
이런 관측과 해석을 보고한 국제 공동 연구진(Zemcov 등 16명)은 애초에 130억 년 전 생성돼 우주 팽창과 더불어 너무도
멀리 멀어진 '원시은하'의 희미한 적외선 빛을 관측하는 실험과 연구를 하고 있었다.
공동 연구진인 미국항공우주국(NASA), 한국천문연구원(KASI), 일본우주항공연구개발본부(JAXA), 그리고 칼텍·서울대
등의 천문·우주 연구자들은 먼저 원시은하 관측에 적합한 ‘적외선 배경복사 관측 망원경(CIBER)'을 함께 개발한 다음
이를 과학로켓에 실어 쏘아 우주에 배경처럼 희미하게 퍼진 적외선 빛을 관측했다. 관측장비를 실은 과학로켓을 네 차례
발사했으며 이번 논문에선 두 차례 관측 실험에서 얻은 자료를 이용해 분석했다. 이 연구논문은 과학저널 <사이언스>에
실렸다.
연구진은 이렇게 얻은 우주 적외선 배경복사의 분포에서 130억 광년 멀리 떨어진 희미한 원시은하의 빛을 보기 위해,
가까운 곳에서 빛을 내는 은하들과 별, 그리고 태양계 먼지 입자에 의해 태양 빛이 산란되는 황도광 등의 적외선 빛 요인을
하나둘씩 제거했다 (도심의 환한 빛 너머로 희미한 동네 빛을 보려면 가까운 도심 불빛을 제거하는 게 좋은 것과 마찬가지
다). 그런데 그렇게 가까운 적외선 빛 요인을 하나씩 다 제거하고도 기원을 알 수 없는 초과된 밝기가 남았다
(맨위 그림 참조).
그렇다면 이렇게 남은 초과 빛은 대체 어디에서 온 걸까?
적외선 배경복사의 분포에 여전히 남은 '요동(fluctuations)'의 흔적은 어디에서 생겨난 것일까?
연구 방향은 자연스럽게 애초 목표인 원시은하 관측 계획에서 잠시 멀어지는 길로 나아갔다.
연구 논문에 공저자로 참여한 김민규 서울대 천문학 대학원생(박사과정)은 한겨레 과학웹진 <사이언스온>에 이렇게
말했다.
“맞아요. 애초에는 머나먼 원시은하를 관측하려고 기획된 연구 프로젝트였지요. 그런데 관측한 우주 적외선
배경복사에서 우리에 가까운 쪽에 있는 은하들의 빛과 같은 여러 요인들을 다 제거했다고 했는데도 여전히
남는 적외선 배경복사가 있었고, 그 기원을 찾다가 보니 이번 발견에 이르게 된 거죠. 물론 원시은하 관측이
더 큰 과학적 성취가 될 것이라고 생각하지만, 이번 발견도 꽤 중요한 결과라고 생각해요.”
연구진은 논문에서 여러 분석을 통해, '초과 빛'이 대부분 은하들 바깥 쪽 영역인 '헤일로(halo)'에 있는 항성들에서 비롯한
것으로 해석했다. 또한 초과 빛은 이미 알려진 은하들에서 나오는 빛에 견줄만한 정도의 것으로 분석됐다. 연구진은
“은하 외부에서 관측된 적외선 배경복사의 세기는 지금 알려진 은하들의 것에 견줄 만하며, 적외선 우주 배경 밝기에
상당히 기여하는 것으로 보인다”고 밝혔다. 수백억, 수천억개 항성이 몰려 있는 은하의 빛에 비하면 은하 바깥의 개별
항성의 빛은 너무나 희미해 빛의 점(point source)으로도 인식되기 어렵지만, 그런 수많은 은하 바깥 항성들이 우주
곳곳에서 저홀로 빛을 내어 우주 전체로 보면(우주 광자의 총량으로 보면), 은하들이 내는 적외선 빛에 견줄 만할 정도가
된다는 것이다.
이렇게 보면, 우리가 식별할 수 없는 은하 바깥의 항성들은 은하 안 항성들의 밀집한 빛에 가려 있을 뿐 컴컴한 우주 곳곳에
서 작디작은 빛을 내면서 무수하게 흩어져 존재한다고도 풀이할 수 있는 것이다. 과학저널 <사이언스>에 실린 전문가 해설
은 “이번 근적외선 배경복사의 연구 결과는 우주의 역사를 거치며 은하들이 수없이 충돌과 합병을 겪는 과정에서 우주 전체
의 항성들 가운데 절반가량이 은하들에서 떨어져 나와 있음을 보여준다”고 전했다. 또한 해설은 “우주의 주요한 구성부분이
항성들과 은하들 사이에서 평범한 시야엔 보이지 않은 채 적외선 배경복사로 남아 존재할 수 있다는 것은 주목할 만하다”라
고 말했다.
조금 강한 의미를 제시하는 이런 해설의 분위기와는 다르게 이번 논문은 다소 신중한 결론을 제시하고 있으며,
적외선 관측 데이터를 분석한 이번 결과에서 더 나아가 은하 바깥의 무수한 항성 분포가 아직 실측된 것도 아니기에,
후속 관측과 분석 연구를 통해서 이번 논문이 제시한 은하 바깥 항성들의 존재와 특징이 구체적으로 드러날 것으로 보인다.
연구 논문에는 미국항공우주국(NASA/JPL), 칼텍, 일본의 우주항공연구개발기구(JAXA), 도쿄대학과 함께 한국에서는
한국천문연구원의 이대희, 남욱원 박사와 김민규 서울대 천문학 대학원생(박사과정)이 공저자로 참여했다. 한국천문연은
관측 장비인 적외선 카메라 시스템을 국제 협력연구로 공동 개발하는 데 참여했다.◑

[ 동영상 http://youtu.be/Rcuulo5tQCg ]
논문 초록
은하외부 배경복사(Extragalactic background light: EBL)의 비등방성은 우주 역사를 거치며 우주 진화의 역사를
추적하게 해주는데, 거기에는 은하의 점광원 탐사(point-source surveys)에선 볼 수 없는 희미하게 퍼져 있는
요소들이 담겨 있을 수 있다. EBL의 요동은 재이온화 시기(EOR)의 원시은하와 블랙홀에서 기인하는 것으로 여겨
지거나 또는 다른 설명으로는 가까운 우주에서 부모 은하들의 조석 효과로 빠져나온 항성들이 내는 빛(IHL)에서
기인하는 것으로 여겨져 왔다. 우리는 1.1과 1.6㎛ 파장대역에서 EBL의 공간 요동을 측정하기 위해 탐사 로켓을
만들어 관측했으며 거기에서 얻은 새로운 EBL 비등방성 측정 결과를 보고하고자 한다. 관측된 EBL의 요동은 이미
알려져 있는 전경 은하들의 분포(foreground galaxy populations)에서 나오는 진폭을 초과하는 것으로 나타났다.
또한 그것은 재이온화 시기의 은하와 블랙홀로도 설명되지 않는다. 그것 대부분은 은하들 바깥에 있는 인트라헤일
로 빛(IHL: IntraHalo Light)에 의한 것으로 해석된다. 관측된 EBL의 세기는 갯수 비교에서 알려진 은하들과 견줄
만하며, 우주 적외선 배경복사의 밝기에 상당한 기여를 하는 것으로 보인다.
☞ 재이온화(reionization)
“원자는 중성자와 양성자 그리고 전자로 이루어져 있는데 원자가 자외선을 흡수하고 원자에서 전자가 분리되는
현상을 우리는 ‘이온화’라고 부른다. …별이 탄생하면 주로 수소로 이뤄진 가스 상태의 원자들이 별에서 나오는
강력한 자외선에 의해 이온화하기 시작한다. 우리는 이를 우주의 ‘재이온화 시기’라고 부른다. 그러므로 우주의
역사에서 별의 탄생은 곧 재이온화 시기의 시작을 의미한다.” (출처: 백성혜, “캄캄한 원시우주에 별이 처음
생기던 순간”, 사이언스온 2012년 5월24일)
○[스페이스]은하수 저 먼 곳에 별이…
2015-03-02 06:58

▲은하수 가장자리에서 두개의 성단이 발견돼 관심을 모으고 있다.[사진제공=NASA]
브라질 연구팀, 은하수 가장자리에서 성단 발견
신비함을 더한다
은하수에 나타난 먼 가장자리의 별
우리 은하수(Milky Way)에서 멀리 떨어져 있는 가장자리에서 별이 발견돼 천문학자들의 관심을 모으고 있다.
미국 항공우주국(NASA)은 최근 '가장자리에서의 삶: 은하 중심에서 멀리 떨어진 곳에서 별이 발견되다'는 기사를 실었다.
적외선망원경인 와이즈(WISE, Wide-field Infrared Survey Explorer) 데이터를 분석한 천문학자들이 은하수의 가장자리에
서 성단을 발견했다. 와이즈 프로젝터를 추진하고 있는 나사의 피터 아센하르트 박사는 "은하수 가장자리에서 별이 발견된
것은 놀라운 일"이라고 설명했다.
브라질의 리오그란두술 연방대학교 데닐소 카마르고 박사가 발견했다. 연구결과는 영국왕립천문학회월간보고에 실렸다.
잘 알려져 있듯이 은하수는 빗장 나선형 은하이다.
여러 개의 팔이 나선형으로 뻗어있다.
이 팔들에 별들이 존재하고 탄생한다.
이른바 '별들의 팔'이라고도 부른다.
옆에서 보면 은하수는 상대적으로 납작한 원반 형태이다.
은하수의 크기는 약 10만광년이고 두께는 2000광년쯤 된다.
와이즈의 적외선 이미지를 분석한 결과 연구팀은 은하 원반 아래쪽으로 수천광년 떨어진 곳에서 두개의 성단을 발견했다.
이번에 발견된 별은 짙고 거대한 분자구름으로 이뤄져 있는 것으로 확인됐다.
은하수의 중심에서 멀리 떨어진 곳에서 별을 발견하기는 이번이 처음이다.
이런 곳에서 별이 발견되는 것은 아주 드문 일이다.
카마르고 박사는 "이번 발견으로 은하 주변의 공간이 우리가 생각했던 것처럼 비어있지 않다는 것을 알 수 있다"며
"이번에 발견된 성단은 아주 흥미롭고 수백만년 안에 생명체가 살고 있는 행성을 발견할 수도 있을 것"이라고 말했다.
○[바람난과학] 우주서 퍼지는 선율…바흐와 보이저1호
2015-03-02 08:56
어느 별과 별 사이에 있습니다. ‘인터스텔라(성간우주)’의 영역입니다.
한 마디로 보이저 1호는 인류가 만든 우주선 가운데 가장 먼 곳에서 도달한 탐사선이죠.
그런데 보이저 1호에는 90분 분량의 음악 트랙이 담긴 ‘황금레코드’(Golden Record)가 실려있습니다.
외계 생명체와 만날 경우를 대비한 비장의 카드입니다. 태양계 너머에서 어느 외계 문명이 보이저 1호를 거둔다면,
서정적인 바흐의 브란덴부르크 협주곡 선율이 생명을 머금고 우주에서 울려 퍼질지도 모를 일입니다.
이 황금레코드에는 27개의 트랙이 담겼습니다.
이 가운데 무려 7곡이 클래식 음악입니다.
바흐의 브란덴부르크 협주곡 2번 1악장을 포함해 바이올린을 위한 파르티타 3번 중 가보트와 론도,
평균율 클라비어곡집 2권 중 1번 프렐루드와 푸가가 수록돼 있죠.
성간공간에 있는 보이저 1호와 지름 30cm의 황금레코드(NASA)
또 우리 귀에 익숙한 베토벤 교향곡 5번 ‘운명’과 함께 현악 4중주 13번 작품 130, 모차르트의 마술피리 중 난이도가 높기로
정평이 나있는 밤의 여왕 ‘아리아’, 스트라빈스키의 봄의 제전 중 ‘희생의 춤’도 실려있습니다.
7곡의 클래식 음악은 오케스트라, 실내악, 성악 등 장르별로 두루 안배돼 있지만 따지고 보면 바흐의 음악이 무려 3곡이나
됩니다. 음악의 어머니로 꼽히는 헨델이나 낭만주의 음악의 거장인 쇼팽의 작품이 단 1곡도 실리지 않은 대신, 바흐의 작품
이 다소 편애(?)된 점이 흥미롭습니다. 레코드에 실릴 음악을 선별하는 작업은 주로 미국의 천문학자인 칼 세이건
(1934~1996) 박사가 맡았었다고 하니 그의 선택을 믿어야겠지만요.
지구에서 가장 멀리 떨어진 탐사선에 인류가 사랑한 음악이 담겨 있다는 건 그만큼 음악이 가진 힘이 위대하다는 반증일
겁니다. 황금레코드에는 클래식 말고도 아프리카의 민속음악부터 20세기 미국의 락 음악까지 나라와 시대를 망라하는
다양한 음악이 실려있거든요. 특히 1920년대 전설의 블루스맨으로 꼽히는 블라인드 윌리 존슨의 ‘Dark Was the Night’와
재즈의 거장 루이 암스트롱의 명곡으로 꼽히는 ‘Melancholy Blues’이 수록된 점이 황금레코드의 특징입니다.
1990년 밸런타인데이에 60억km 떨어진 명왕성 궤도에서 보이저 1호가 찍은 지구 사진.
동그라미 속 한 점 티끌이 70억 인류가 사는 우리 지구다. (NASA)
그동안 보이저 1호는 지구는 물론이고 금성, 목성, 토성, 해왕성 사진까지 찍어보냈습니다.
38년 결산서를 보면 인류가 보이저에게 준 것보다 보이저가 인류에게 준 것이 더 많습니다.
이 중에서도 ‘창백한 푸른 점(Pale Blue Dot)’이라고 명명한 지구 사진이 가장 인상적입니다.
거대한 빛 무리 속에 하나의 점으로 숨어 있는 지구의 모습입니다. 그 점 안에서 이전투구를 벌이는 70억이 넘는 인간들은
얼마나 미세한 먼지일까요.
하지만 절망할 것도 없습니다. 인간의 의식이 그 광대한 우주를 품고 있으니, 인간이 하나 스러지면 우주 하나가 사라진다는
논리도 맞습니다. 만일 외계 문명이 태양계 너머에서 언젠가 보이저 1호와 마주친다면, 황금레코드에 수록된 음악에서
인간이라는 우주에 대한 한없는 경외심을 품을지도 모를 일이고요.
물론 보이저 1호와 외계 문명과의 조우가 쉽진 않을 겁니다. 우주라는 드넓은 바다에서 이 탐사선은 그저 티끌과 같은
존재일테니까요. 어느 과학자는 보이저 1호가 다른 문명을 만나보기도 전에 인류가 이 탐사선을 다시 수거해갈 것이라고도
주장합니다.
하지만 칼 세이건은 이렇게 말합니다.
“우주의 ‘바다’에 이 ‘병’을 띄워 보내는 것은 지구라는 이 행성에게 주는 희망”이라고 말입니다.
희망이 있는 곳에 길이 있는 법입니다. 보이저 1호는 어둡고 차가운 우주를 무한히 여행하는 우리 인류의
한 가닥 희망이고 길인 셈입니다.
(*) 보이저 1호에는 지구사진 118장과 개 짖는 소리와 고래의 음성 등 온갖 지구의 소리, 한국말 ‘안녕하세요’를 포함한
55개국의 인사말, 사랑에 빠진 젊은 여성의 뇌파, 유엔 사무총장의 인사 등이 녹음된 축음기판 등이 실려있습니다.
2025년쯤에는 연료가 바닥나 지구와 연락이 두절될 것으로 분석되는데, 전력이 차단돼도 보이저 1호는 태양계 바깥을
관성에 의해 하염없이, 그리고 고요히 날아갈 것입니다.
(*) 황금레코드에 실린 음악 가운데 하나. 바흐, 평균율 클라비어곡집 제2권 중 제1곡 전주곡과 푸가 다 장조.
피아노 글렌 굴드. 4:48
(*) 황금레코드에 실린 음악 가운데 하나. 바흐, 바이올린을 위한 파르티타 제3번 마 장조 가운데 <가보트와 론도>,
아르튀르 그루미오 연주. 2:55