105억년 전 ‘우주의 정오’…태양 질량 160조배 은하단 충돌 발견

연세대 천문우주학과 지명국 교수 연구팀이 제임스웹우주망원경(JWST)
데이터를 활용해 약 105억 년 전, 이른바 ‘우주의 정오’ 시기에 존재했던
거대 은하단의 암흑물질 분포를 정밀하게 재구성하는 데 성공했다.

우주의 정오는 100억 년 전 전후 우주 역사상 별의 탄생과 은하의 성장이
가장 활발했던 시기를 뜻한다. 하루 중 태양이 가장 높이 떠 있는 정오처
럼 우주의 진화가 가장 왕성했던 전성기라는 의미다.

분석 결과 XLSSC 122는 태양 질량의 약 160조 배에 달하는 거대 구조였
던 것으로 확인됐다. 특히 질량이 중심부에 매우 강하게 집중된 형태를 보
였다. 이는 우주 나이가 약 30억 년에 불과했던 시기부터 이미 거대 구조
가 예상과 달리 상당히 성숙해 있었음을 뜻한다. 초기 은하단의 형성·진화
과정에 대한 이론을 재점검할 필요성을 제기한 것이다.

또한 이번 연구는 다파장 관측을 통해 ‘물질 간의 분리 현상’도 확인했다.
암흑물질로 추정되는 질량 중심은 X선 관측에서 확인된 고온 가스 중심
및 가장 밝은 은하의 위치와 대체로 일치했다. 반면 가스 압력을 추적하는
SZ 관측에서는 중심이 약 32만 광년 정도 어긋나 있었다.

암흑물질과 가스 성분의 중심이 서로 다르게 나타나는 현상은 은하단 병합
과정에서 나타날 수 있는 특징이다. 이에 근거해 연구진은 우주 진화 초기
단계인 105억 년 전에도 거대 구조가 활발한 병합 과정을 겪으며 성장했을
가능성을 제시했다.

은하단의 구조를 입체적으로 이해할 수 있었던 것은 약중력렌즈 분석 기법
에 JWST의 고해상도·고감도 데이터를 결합한 덕분이다. 기존 허블우주망원
경으로는 확보가 어려웠던 배경 은하 신호를 대량으로 포착, 중력에 의해
미세하게 왜곡된 배경 은하의 모양을 분석할 수 있었고 이에 기반해 정밀
한 암흑물질 지도를 복원한 것이다.

우주의 정오 시기에도 ‘은하단 내광’ 분포가 질량 분포와 공간적으로 유사
하다는 경향을 확인한 것이다. 은하단 내광은 특정 은하에 속하지 않고 은
하단 전체를 떠도는 별빛을 말한다. 이는 향후 중력렌즈 관측이 어려울 정
도로 먼 천체의 암흑물질 분포를 연구할 때 은하단 내광이 중요한 보조 지
표가 될 수 있음을 시사한다.

본문 이미지: 서울경제.