우주먼지 속 '푸른 빛' 발견…"알고보니 110억 년 전 초거대 은하 블루독"
110억 년 전 만들어진 푸른 빛의 초거대 은하가 한국천문연구원을 포함한 국제공동 연구팀에 의해 발견됐다. 이 연구결과는 지난 10일 미국 천체물리학회지(The Astrophysical Journal)에 게재됐다. 한국천문연구원은 국제 공동 연구팀이은 먼지 속에서도 강한 푸른빛을 내는 초대질량 블랙홀(SMBH)을 품은 은하를 새롭게 발견했다고 13일 밝혔다. 초대질량 블랙홀은 태양 질량의 수십만~수십억 배에 달하는 거대 블랙홀을 말한다. 국제 공동 연구팀에는 김성재 UST 연구생(제1저자, 주과학전공 박사과정)과 정웅섭 천문연 책임연구원(제2저자 및 교신저자), 김민진 교수(연세대학교 천문우주학과), 양유진 천문연 책임연구원, 전현성 교수(미국 노스웨스턴대학교), 타카오 나카가와 교수(JAXA/ISAS & 도쿄시립대학교) 등이 참여했다. 이 연구를 국내에서 주도한 정웅섭 책임연구원은 "천문연구원이 운영 중인 외계행성탐색시스템(KMTNet)으로 발견한 이 천체는 특이하게 푸른색을 띠었다"며 "이를 칠레 제미니 남반구 망원경(GEMINI-South)으로 추가 관측하며 빛을 분석해 이 같은 성과를 냈다'고 말했다. 먼지에 두껍게 가려진 은하는 일반적으로 붉게 보인다. 빛이 먼지에 부딪혔을 때 자외선 같은 짧은 파장(푸른빛)은 산란되고, 적외선 같은 긴 파장(붉은빛)은 잘 통과하기 때문이다. 하지만 이번에 발견된 은하는 이례적으로 강한 푸른빛(자외선 초과)을 나타냈다. 이같이 푸른 빛을 띠는 은하를 '블루독(Blue-excess Dust-Obscured Galaxy)'이라 부른다. 정 책임은 "이번에 발견한 블루독은 약 110억 년 전 우주, 즉 은하와 블랙홀이 가장 활발히 성장하던 '우주 정오(Cosmic Noon)'시기에 존재했던 천체"라고 설명했다. 우주의 정오는 빅뱅이후 은하들이 빠르게 성장하던 '우주의 새벽'에 이어진 시기로 약 120억~110억년 전에 해당한다. 정 책임은 "이 은하는 질량이 태양의 약 2조 배에 달하는 무거운 은하"라며 "중심에는 태양 질량의 약 140억 배에 달하는 초대질량 블랙홀이 자리 잡고 있다. 또한 폭발적인 별 탄생 현상이 일어나 은하의 밝기는 우주에서는 매우 드문 태양의 약 80조 배에 달하는 초고광도 특성을 보인다"고 부연 설명했다. 이는 단순히 먼지에 가려진 은하가 아니라, 은하 진화의 단계 중에 폭풍 성장하는 시기를 보여주는 특별한 천체임을 시사한다는 것이다. 연구팀은 이 은하가 최근 제임스웹 우주망원경으로 발견돼 '수수께끼 은하'로 불리는 '작은 붉은 점'(LRDs)과 닮았다는 사실을 밝혀냈다. LRDs는 이번에 연구진이 발견한 '블루독' 은하보다 20억 년 앞선 시기의 초기 우주에서 발견된 작은 점의 은하로 보이지만, 그 안에 강력한 블랙홀 활동과 별 탄생이 공존하는 특징을 지닌다. 블루독과 BlueDOG과 'LRDs'는 각각 다른 시기의 은하지만, 두 천체 모두 강력한 블랙홀 활동과 폭발적인 별 탄생이 동시에 일어나는 공통점을 보인다. 이 같은 특징은 은하와 블랙홀의 성장 과정을 잇는 연결 고리를 밝혀낼 단서가 된다. 연구팀은 독특한 푸른빛의 기원을 밝히기 위해 두 가지 가능성을 분석했다. 먼저, 중심 블랙홀 빛이 모은하 내부 가스와 먼지에 의해 산란되거나 은하 내에서 최근 일어난 폭발적인 별 생성 활동으로 푸른빛이 초과로 보일 수 있다는 가능성을 검토했다. 연구팀은 "분석 결과, 산란광이나 폭발적 별 생성 어느 쪽만으로는 모든 현상을 설명하기 어려워 두 현상이 함께 기여했을 가능성을 열어 두었다"고 설명했다. 이번 발견은 은하와 블랙홀이 어떻게 질량을 키워나가는지, 그리고 우주에서 가장 밝은 초고광도 은하의 형성 과정과 이 과정에서 이례적인 푸른빛이 발생하는 이유를 이해하는 데 단서를 제공한다. 연구진은 향후 우주망원경들과 지상 거대 관측시설을 활용한 심층 관측으로 폭발적인 별 생성의 흔적을 찾고 푸른빛 초과 현상의 기원을 규명해 나갈 계획이다. 김성재 한국천문연구원·UST 학생연구원(논문 제1저자)은 “이 초기 은하는 먼지에 가려져 있음에도 예외적인 푸른 빛을 내고, 그 모습이 최근 제임스웹 우주망원경이 발견한 수수께끼 은하와 놀라울 만큼 닮아 있다는 사실을 확인했을 때 정말 기뻤다”고 소감을 밝혔다. 정웅섭 책임연구원은 “적외선 영역에서 매우 밝게 빛나는 초기 은하들의 진화 과정을 관측적으로 추적하고 있으며, 그 과정에서 초대질량 블랙홀의 강력한 활동과 폭발적인 별 탄생이 동시에 일어나는 현상을 포착했다”며 “이 성과는 최근 제임스웹이 발견한 수수께끼 초기 은하와 블랙홀이 어떻게 함께 성장했는지를 이해하는 데 중요한 단서를 제공할 것”이라고 덧붙였다.
