[과학과 놀자] 우주망원경으로 텅빈 공간에서 수많은 은하 발견

(109) 딥 필드

지난 7월 12일, 미국 항공우주국(NASA) TV는 제임스 웹 우주망원경의 첫 관측 결과를 실시간으로 공개했다. 모두 다섯 가지의 고해상도 이미지와 분광 스펙트럼이며, 그중 공식 발표가 있기 하루 전에 조 바이든 미국 대통령에 의해 공개된 SMACS 0723 은하단 이미지에는 ‘제임스 웹의 첫 번째 딥 필드(Webb’s First Deep field)’라는 이름이 붙었다.

딥 필드 이미지는 허블 우주망원경으로부터 시작됐다. 1995년 로버트 윌리엄슨 우주망원경과학연구소(STScI) 소장은 허블 우주망원경을 담당하고 있었다. 그런 그가 어느 날 아무것도 없는 것처럼 보이는 깜깜한 우주 공간을 찍어보자는 엉뚱한 제안을 한다. 이 제안을 들은 천문학자들은 모두 그가 미쳤다고 생각했다.

당시 허블 우주망원경은 우주 비행사들이 현장에서 정비와 업그레이드를 해야 했고, 잦은 고장으로 수리에 들어가는 비용만 해도 천문학적이었기 때문에 여론이 좋지 않았다. 그런 상황에서 아무것도 보이지 않는 깜깜한 우주의 한 부분을 촬영하고자 각도를 미세하게 조정하고, 희미한 빛을 보기 위해 오랜 시간 촬영한다는 것은 도박이나 다를 바가 없었다. 만약 촬영에 소득이 없다면 가뜩이나 좋지 않은 여론에다 ‘눈에 보이는’ 관측 대상의 대기 리스트가 밀려 있는 상황에서 막대한 비용을 잡아먹게 될 것이라는 우려가 주를 이뤘다.

하지만 허블의 첫 딥 필드 이미지인 ‘허블 딥 필드(Hubble Deep Field, HDF)’의 탄생은 천문학계에 큰 충격을 안겨준 사건이 됐다. 지구 궤도를 공전하는 허블 우주망원경은 1995년 크리스마스를 즈음해 약 열흘에 걸쳐 큰곰자리 주변의 매우 작은 한 영역(100m 떨어진 거리에서 바라본 테니스공 크기 정도)을 촬영했고, 이 이미지를 통해 아무것도 없는 공간처럼 여겨졌던 허공에서 3000여 개의 은하를 발견했다. 인류가 우주를 바라보는 시야가 넓어지고, 천문학이 한층 더 성장하는 순간이었다.

빛의 속력은 유한하기 때문에 오랜 시간 촬영해 우주에서 이미지로 모습을 드러낸 은하들은 과거 우주 은하의 모습을 의미한다. 허블 딥 필드의 성공을 기반으로 1998년에는 남반구의 큰부리새자리 부근을 촬영해 수천 개의 은하를 또 발견했고, 2003년에는 더 오랜 시간을 들여 허블 우주망원경이 지구 주위를 400여 바퀴 도는 동안 한 바퀴에 두 번씩 한 영역을 촬영한 결과 1만 개가 넘는 은하를 포착해 ‘허블 울트라 딥 필드(Hubble Ultra Deep Field, HUDF)’라는 이름을 붙였다. 2012년 공개된 HUDF의 새 버전은 ‘허블 익스트림 딥 필드(eXtreme Deep Field, XDF)’라고 불린다. 이를 통해 빅뱅 이후 약 4억5000만 년이 지난 시점에 생성된, 무려 132억 년 전 은하를 관측할 수 있게 됐다. 이들 은하가 보여주는 모습이 우주 초기의 은하 형성 연구에 중요한 자료가 되었음은 물론이다.

그럼 다시 지난 7월 공개된 제임스 웹의 첫 딥 필드 이미지 이야기를 해보자. 허블 우주망원경이 그랬던 것처럼 제임스 웹 우주망원경 또한 은하들 사이의 공간을 촬영해 약 46억 년 전 탄생한 SMACS 0723 은하단과 그 배경 은하들의 모습을 보여준다. 가시광선 영역에서의 관측 결과물이었던 허블 딥 필드와 달리 제임스 웹 딥 필드는 근적외선 카메라(NIRCam)와 중적외선 도구(MIRI)로 촬영한 다양한 파장에서의 결과물을 합성해 가시광선의 색으로 변환한 것으로, 단 12.5시간 만에 허블 딥 필드보다 더 깊고 선명한 이미지를 만들어냈다.

제임스 웹 딥 필드를 통해 우리는 더 많은 은하와 선명한 중력 렌즈 효과를 볼 수 있다. NASA는 광활한 것처럼 보이는 이 이미지가 나타내는 영역이 사실은 지상의 관측자가 일반적인 크기의 모래알 하나를 들고 팔을 쭉 뻗었을 때 가려지는 부분이라고 표현한다. 즉, 우주의 극히 일부분을 본 것에 지나지 않는 것이다.

다시 말하면 우주의 매우 작은 영역에서 발견된 수없이 많은 은하의 모습으로부터 그 크기조차 가늠하기 어려운 무한한 우주에 대해 인류는 아는 바가 거의 없다는 것이다. 지금까지의 그 어떤 망원경보다 우주를 더 깊이, 더 선명하게 볼 수 있는 제임스 웹 우주망원경이 우주에 대한 호기심을 조금 더 풀어주기를 기대한다. 기억해주세요

박우용 한가람중학교 교사

‘딥 필드’는 우주에서 아무것도 없는 것처럼 보이는 영역을 오랫동안 관측해 얻어낸 이미지다. 허블 우주망원경과 제임스 웹 우주망원경의 딥 필드에서 인류는 빈 공간으로 여겨져왔던 곳 너머에도 수없이 많은 은하가 존재한다는 충격적인 사실을 알게 됐다. 특히 최근 공개된 제임스 웹의 딥 필드에는 더 많은 은하와 은하단 중력에 의한 중력 렌즈 효과가 더욱 깊고 선명하게 담겨 있어 천문학 발전이 매우 기대된다.