한국항공우주연구원

우주의 기원을 밝히고 연구하는 우주론의 주요 연구 분야 중의 하나는 우주에서 은하가 언제 생성 되었는 가이다. 현재 정설로 받아들여지고 있는 빅뱅우주론에 의하면 가장 먼 거리에 있는 은하가 나이가 가장 많은 은하에 해당된다. 그러므로 그간 수많은 천문학자들이 먼 거리에 있는 은하를 찾기 위하여 구경이 큰 대형 망원경을 이용하여 관측을 수행하였고 현재도 지속적으로 연구하고 있다. 본 글에서는 먼 거리에 있는 은하의 거리를 구하는 간단한 방법을 설명하고 이를 통해 최근에 알려진 우리로부터 가장 먼 거리에 놓여 있는 은하 EGS-zs8-1을 소개한다.

 그림 1 태양과 먼 거리의 은하에서 관측되는 스펙트럼의 예

매우 먼 거리에 놓여 있는 천체의 거리 결정은 허블의 법칙을 이용한다. 1930년대 미국의 천문학자 Edwin Hubble은 우리로부터 빠른 속도로 멀어지는 천체는 더욱 먼 거리에 있다는 것을 발견하였다. 즉, 천체의 후퇴 속도와 거리사이에 상관관계가 있다는 것이다(v=H*d). 여기서 v는 후퇴속도, d는 천체의 거리, 그리고 H는 상관계수이다. 많은 연구를 통해서 후퇴속도와 거리사이의 상관계수가 결정되었다. 그러므로 천체의 후퇴속도를 구할 수 있으면 거리를 알 수 있다. 천체의 후퇴속도는 도플러 효과를 이용한 분광 관측을 통하여 얻는다. 도플러 효과는 멀어지는 물체의 파장은 커지고 가까워지는 물체의 파장은 짧아진다는 것이다. 천체의 스펙트럼을 관측하면 이러한 효과를 쉽게 확인할 수 있다. 그림 1에서 왼쪽은 태양에서 구한 스펙트럼이고 오른쪽은 먼 거리에 놓인 은하의 스펙트럼이다. 그림에서 얇은 검은선은 특정 흡수선을 나타내며 위쪽이 파장이 커지는 방향이다. 만약 은하를 관측하여 그림 1과 같은 결과를 얻었다면 특정 흡수선의 관측된 파장이 태양의 값과 비교해서 달라지는 정도를 구할 수 있을 것이다. 여기서 특정 흡수선의 태양에서의 값을 λo, 은하의 관측으로 구한 값을 λ라고 하면 이들 사이에는 1+z=λ/λo 의 관계가 성립하고 여기서의 z를 천문학에서 적색편이 (redshift) 라고 부른다. 적색편이는 천체의 후퇴속도(v)와 1+z=(1+v/c)γ 의 관계가 성립하며, γ는 로렌쯔 값으로서 γ=1/√(1-(v/c)2) 이다. 여기서, c는 빛의 속도를 의미한다. 관측값 λ와 알려진 λo 값에서 후퇴속도를 구한 후 허블법칙을 이용하여 천체의 거리를 구할 수 있다.

 그림 2 EGS-zs8-1 지역의 허블우주망원경 관측 자료 및 은하의 확대된 모습

그러나 우주 초기의 매우 먼 거리에 있는 은하를 찾는 작업은 단순하지 않다. 그 이유는 한마디로 우주에 너무나 많은 은하가 있기 때문이다. 대개의 경우 스펙트럼을 얻기 위한 분광 관측에는 오랜 시간이 소요된다. 그러므로 아무 근거 없이 모든 은하의 스펙트럼을 구할 수는 없고 먼저 수많은 은하 중에서 후보를 찾아야 한다. 이 작업 역시 매우 복잡하므로 본 글에서는 생략하기로 한다. 즉, 천문학자들은 다양한 방법을 통하여 매우 먼 거리에 놓여 있을 것으로 예상되는 은하의 후보를 찾고 각 후보들에 대하여 분광 관측을 수행하고 적색 편이값을 구하게 된다. EGS-zs8-1는 2015년 미국 하와이 소재 Keck 천문대의 구경 10미터 망원경을 이용하여 스펙트럼을 관측한 후 거리를 구하였다. 이 때 관측된 적색편이 z=7.73이고 통상적인 거리로 환산하면 약 130억 광년이다. 즉, 우주의 나이가 현재 값의 약 5% 수준 (빅뱅이후 약 7억년)에 해당되는 매우 초기의 은하이며 은하 내 별의 나이는 1억~3억년 정도일 것으로 예상된다. 그림 2는 이 은하가 속한 지역의 허블우주망원경 관측 자료 및 은하의 확대 영상이다. 현재까지 적색편이 z가 7이상인 알려진 은하는 8개이며 이중 가장 먼 거리에 놓인 것이 EGS-zs8-1이다. 참고로 현재까지 알려진 적색편이 값이 가장 큰 천체는 GRB090423으로서 z=8.2이다. 다만 이 천체는 현재 천체의 종류를 확정하지 못한 감마선원이다.

※ 이 글은 미국 나사 홈페이지 (http://www.nasa.gov) 및 wikipedia 내용에 기반하여 작성되었다.