참세상

처녀자리 성단에 있는 막대 나선 은하 NGC 4639의 허블 망원경 이미지. 출처 : NASA 이미지 아티클

우주의 가장 먼 곳에는 죽어가는 은하가 있다. 이렇게 별이 소멸하는 이유를 천문학자들은 밝혀내고 싶어 한다.

이는 세계에서 큰 망원경 중 하나를 보유하고 있는 캐나다에서 수행한 첫 번째 대규모 프로젝트의 목적이기도 했다. "일산화탄소로 추적한 처녀자리 환경 연구(VERTICO)"라는 새로운 과학 프로그램은 은하를 소멸시키는 환경을 정밀하게 조사하고 있다.

VERTICO의 주요 연구자로서, 나는 아타카마 대형 밀리미터 간섭계(ALMA)를 사용하여 분자 수소(별 형성에 필요한 연료)를 고해상도로 매핑하는 30명의 전문가팀을 이끌고 있다. 이는 우리 위치에서 가장 가까운 은하군인 처녀자리 은하단 51개 은하를 대상으로 한다.

2013년 14억 달러의 투자로 설립된 ALMA는 칠레 북부 아타카마 사막의 해발 5,000미터 고도에 연결된 전파 망원경 네트워크다. 이 전파 망원경 네트워크 프로그램은 유럽, 미국, 캐나다, 일본, 한국, 대만, 칠레의 국제 협약을 통해 운영되고 있다. ALMA는 현재 운영 중인 지상 천문 프로젝트 중 가장 큰 규모를 자랑하며, 세계에서 가장 진보된 밀리미터 파장 망원경을 가지고 있다. 따라서 별이 탄생하고 가시광선으로는 볼 수 없는 차가운 가스로 이루어진 짙은 구름을 연구하는 데 이상적이라 할 수 있다. [현재 더 큰 프로젝트로 '스퀘어 킬로미터 어레이'(The Square Kilometre Array:SKA)가 2028년 완공을 목표로 건설 중이다.]

VERTICO와 같은 ALMA의 주요 연구 프로그램은 전파 망원경으로 우주 깊은 곳을 연구하는 분야에서 특정 과학적 과제를 해결하기 위해 고안되었다.

은하계 클러스터

은하가 우주에서 차지하는 위치와 은하가 주변 환경(은하 간 매질) 및 상호작용하는 방식은 별을 만드는 능력에 큰 영향을 미친다. 그러나 이 환경이 어떻게 은하의 생과 사를 결정하는지는 여전히 미스터리이다.

은하단은 수백 또는 수천 개의 은하를 포함하는 우주에서 가장 크고 극한의 환경이다. 질량이 있는 곳에는 중력이 존재하며, 은하단에 존재하는 엄청난 중력은 은하를 초당 수천 킬로미터의 어지러운 속도로 움직이게 하고, 그 사이의 플라즈마를 X선으로 태울 정도로 높은 온도로 가열한다. [플라즈마는 고체, 액체, 기체에 이어 4번째 상태의 물질로 전자, 중성입자, 이온 등으로 나누어져 있다.]

이 은하단의 가혹하고 밀집된 내부에서 은하는 주변 환경과 그리고 은하 간에 격렬히 상호작용한다. 이러한 상호작용은 별의 탄생을 멈추게 하거나 심지어 소멸시킬 수 있다.

VERTICO 공동 연구의 주요 목표는 정확히 어떤 냉각 메커니즘이 별 형성을 멈추게 하는지, 그리고 어떻게 멈추는지를 이해하는 것이다.

은하의 생명 주기

은하가 성단으로 붕괴할 때 은하 간 플라즈마는 램 압력 제거라는 격렬한 과정을 통해 가스를 빠르게 제거한다. 새로운 별의 형성을 촉진하는 원소를 제거함으로써 은하는 결국 사라지고 별 생성이 불가능한 불활성 개체가 된다.

한편으로 성단의 높은 온도는 뜨거운 가스의 냉각을 방해하여 은하계에 응축될 수 있다. 이런 경우 가스는 환경 자체에 의해 제거되지 않고 별 형성 단계에서 쓰이게 된다. 그러나 이 과정은 결국에 느리지만 피할 수 없는 별 생성의 중단으로 이어진다. 이런 별 생성 중단은 기아 또는 질식으로 불리고 있다.

처녀자리 성단의 일부인 나선 은하 NGC 4330의 이미지. 뜨겁고 감압된 가스는 빨간색으로 표시되고 파란색 층은 새로운 별 형성에 적합한 가스를 나타낸다. Fossatie 등. (2018), 저자 제공

이러한 과정은 아주 다양하게 이루어지지만, 각 과정은 별을 탄생시키는 가스에 독특하고 식별할 수 있는 지문을 남긴다. VERTICO의 주요 목표는 이러한 모든 흔적을 한데 모아 성단이 은하를 어떻게 변화시키는지 설명하는 그림을 만드는 것이다.

환경이 은하계의 진화를 어떻게 가능하게 하는지를 이해하기 위해 수십 년 동안 노력한 끝에, 우리는 퍼즐에 중요한 새 조각을 추가하고자 한다.

이상적인 사례 연구

처녀자리 은하단은 그 환경에 대한 자세한 연구를 수행하기에 완벽한 위치에 있다. 처녀자리 은하단은 지구에서 가장 가까운 거대 은하단이며 형성 과정에 있기에 은하 수명 주기의 여러 단계를 스냅숏으로 얻을 수 있다. 이를 통해 은하단의 별 형성이 어떻게 멈추는지 유추해 볼 수 있다.

처녀자리 은하단의 은하들은 전자기 스펙트럼의 거의 모든 파장(예: 전파, 광학, 자외선)에서 관측되었지만, 별을 형성하는 가스는 밀리미터 파장이기 때문에 아직 필요한 감도와 해상도로 연구하지 못했다.

VERTICO는 ALMA에서 지금까지 개발된 가장 중요한 은하 연구 중 하나로, 51개 은하의 분자 수소(별 형성의 연료)에 대한 고해상도 지도를 제공할 수 있게 될 것이다.

ALMA가 이 놀라운 은하 샘플에서 수집한 데이터 덕분에 억제 메커니즘, 충격 감압 또는 기아 등 극한 환경에서 은하를 죽이는 요소와 그 방법을 정확히 알아낼 수 있게 되었다.

환경으로 인해 별의 탄생이 방해받는 은하 내에서 별 형성 가스의 위치를 파악함으로써, VERTICO는 우주의 가장 밀도가 높은 영역에서 은하 진화에 대한 이해를 발전시킬 수 있을 것이다.

[출처] Las galaxias más remotas están muriendo y los astrónomos quieren saber por qué (theconversation.com)

[번역] 하주영