[이광식의 천문학+] 우리은하의 과거-미래 알려줄 ‘가이아 데이터’ 공개

우리은하의 별을 관측하는 우주망원경이 은하가 탄생한 지 불과 20억 년이 지났을 무렵 우리은하에 무슨 일이 일어났는지를 보여주고 있을 뿐만 아니라, 곧 공개될 데이터를 통해 천문학자들은 우리은하의 훨씬 더 먼 과거를 엿볼 수 있게 될 것으로 예측하고 있다. 

유럽 ​​우주국(ESA)의 가이아 탐사선은 허블 우 망원경이나 제임스웹 우주망원경과 같이 우리에게 친숙한 이름이 아니지만, 가이아 임무는 현재 가장 과학적인 논문을 생산하고 있으며, 연구원들이 말하듯이 우리은하의 역사에 대한 이해에 있어 전례 없는 도약을 가능하게 했다. 

가이아는 웹이나 허블과는 다른 방식으로 작동한다. 가이아는 우주에서 하나의 목표물에 초점을 맞춰 관찰하는 것이 아니라, 하늘 전체를 쉼없이 스캔한다. 지구에서 약 150만km 떨어진 라그랑주 2포인트에 자리 잡은 한국의 갓 모양을 한 이 망원경은 하늘에서 가장 밝은 별 20억 개를 관찰한다. 지상 베이스의 망원경과는 달리 지구 대기에 의한 왜곡현상이 없는 관측이 가능하다. 

허블이나 웹과는 달리 가이아는 먼 별과 은하의 세부사항을 드러내는 경이로운 이미지를 캡처하는 데 중점을 두지 않는다. 그보다 탐사선은 몇 가지 기본 매개변수, 즉 지구로부터 별의 거리, 별이 우주공간을 통과하는 속도, 하늘과 3차원에 나타나는 운동방향의 관측에 집중한다. 

우주의 물체는 물리법칙을 따르기 때문에 과학자들은 은하의 진화를 형성한 사건을 선택해 과거와 미래에 걸쳐 수십억 년 동안 그 별의 궤적을 모델링할 수 있다. 은하 고고학으로 알려진 학문은 2013년 가이아가 출범한 이후 엄청나게 성장했으며, 6월 13일 새로운 데이터 공개가 연구를 강화할 것으로 보인다. 

네덜란드 라이덴 대학의 천문학자이자 가이아 데이터 처리 및 분석 컨소시엄 의장인 앤터니 브라운은 "우리는 여전히 은하수의 기원에 대한 세부사항을 밝히기 위해 노력하고 있다"고 전제하고 "새로이 공개되는 데이터를 얻는다면 연구가 훨씬 빨리 진척될 것"이라고 밝혔다. 

별빛에 모든 것이 들어 있다

이 새로운 데이터에는 천문학자들이 천체 물리학적 매개변수라고 부르는 것이 포함되어 있다. 관찰된 별의 빛 스펙트럼(기본적으로 별의 물리-화학적 특성을 나타내는 지문)에서 파생된 천체 물리학적 매개변수는 관찰된 별의 나이, 질량, 밝기 수준 그리고 경우에 따라 상세한 화학적 구성을 나타낸다. 

ESA의 가이아 프로젝트 과학자인 조스 드 브루너는 "별의 스펙트럼을 분석하면 정말 그 별의 거의 모든 것을 알게 된다"라고 말하면서 "마치 익명의 사람들 그룹에서 그들의 이름과 나이와 출신 지역을 알게 되는 것과 마찬가지"라고 덧붙였다. 

6월 13일 발표된 데이터 덕분에 천문학자들이 '만나게 되는' 별들의 그룹은 5억 개의 별로 구성되어 있으며, 이는 가이아가 관찰하는 별의 4분의 1에 해당한다. 이 정보는 천문학자들이 우리은하를 형성한 사건의 순서를 바로잡는 데 도움이 될 것이며, 이에 대해 브라운은 "실제로 은하 형성의 역사를 푸는" 것이라고 강조한다. 

은하의 역사는 충돌의 역사 

브라운의 설명에 따르면, 천문학자들은 우리은하가 빅뱅 이후 약 8억 년에 형성되기 시작했으며, 10억 년에서 20억 년 사이의 집중적인 형성 기간을 거쳤다고 생각한다. 이 형성 기간에 다른 은하들과의 숱한 충돌이 일어났으며, 이러한 과정을 거쳐 점차 오늘날 우리가 보고 있는 은하처럼 모양을 갖추어갔다. 즉 2,000억 개의 별을 포함하는 거대한 나선은하로 발전한 것이다. (가이아는 그 중 약 1%만 관측한다.) 

이전에 발표된 가이아 데이터에서 연구원들은 초기 충돌의 흔적을 은하계를 통해 파문을 일으키며 별의 움직임에 영향을 미치는 파동 형태에서 발견했다. 이러한 충돌 중 가장 중요한 것은 가이아 엔셀라두스라는 은하와의 충돌이었다. 그 은하는 약 100억 년 전 두 은하가 충돌했을 당시 우리은하보다 크기가 약 4분의 1밖에 안되었다. 가이아 데이터에 따르면, 충돌은 은하의 원반을 둘러싸고 있는 희박한 별들의 구인 은하의 헤일로를 발생시켰다고 가이아 데이터가 밝혔다. 

브라운은 "현재 우리는 이 가이아 엔셀라두스와의 충돌이 우리은하가 겪은 마지막 중요한 은하 합병이라고 생각한다"고 덧붙였다. 

​대-소 마젤란 은하가 우리은하와 충돌한다

6월 13일 데이터 발표를 기다리는 천문학자 중에는 네덜란드 흐로닝겐 대학 천체물리학 박사후 연구원인 에두아르도 발비노가 있다. 발비노는 그가 은하의 '가장 작은 빌딩 블록'이라고 부르는 작은 규모의 충돌에 관심이 있다. 그것들은 우리은하가 오랜 세월에 걸쳐 삼켜버린 구상성단 같은 별들의 고대 그룹이다. 

발리노는 "구상성단은 이러한 충돌을 겪은 후 분해되기 때문에 특별하다"고 말하면서 "그러나 그들은 해체된 후에도 '별의 흐름'이라고 부르는 일관된 별 그룹으로 계속 존재하고 있다"고 밝혔다. 

이러한 별의 흐름은 탐지하기가 매우 어려운 것으로 악명이 높았지만, 발비노는 새로운 가이아 데이터가 이 노력의 돌파구를 열어줄 것으로 기대하고 있다. 

"새 데이터 세트에 별이 얼마나 빨리 우리에게 접근하는거나 멀어지는지를 나타내는 방사형 속도라는 추가적인 속도 구성요소가 있을 것"이라고 발비노는 강조하면서 "가이아가 이전에 그중 일부를 측정했지만 새 샘플은 그보다 10배 더 커질 것이며, 이전의 어떤 것보다 더 크다"고 덧붙였다. 

이러한 별들의 움직임에서 천문학자들은 은하계에 병합되는 과정 속에서 움직이는 별들의 그룹을 구별할 수 있을 것이다. 이 정보를 별의 화학적 구성에 대한 데이터와 결합함으로써(다른 은하에서 도착한 별은 뚜렷한 화학적 지문을 가짐) 천문학자들은 이전과는 다른 방식으로 은하의 과거를 엿볼 수 있게 된다. 

발리노는 "이는 가이아 데이터로 할 수 있는 흥미로운 일 중 하나"라고 말하면서 "당신은 유사하게 움직이는 별들의 그룹을 찾을 수 있고, 기본적으로 그들이 어디에서 왔고 어떤 구성 요소가 그들을 은하수로 가져왔는지 재구성할 수 있다. 그러면 궁극적으로 우리은하가 어떻게 형성되었는지에 대한 질문에 답할 수 있게 된다"고 덧붙였다. 

지난 수십억 년 동안 우리은하는 아주 평화로웠다. 은하는 별을 쏟아내고 있는 한편으로, 초기의 변화로 인한 여진을 흡수하는 가운데 별들이 일정한 속도로 죽어가고 있다. 

그러나 앞으로 상황이 다시 어려워질 것이다. 천문학자들은 다음 은하 충돌의 접근 방식을 관찰하고 있. 즉, 대마젤란 성운과 소마젤란 성운이라고 하는 우리은하의 궤도에 있는 두 왜소은하와의 충돌이다. 

마젤란 성운은 지난 수십억 년 동안 우리은하 주위를 도는 궤도에 진입했으며, 이미 우리은하의 중력장에 영향을 미치고 있다. 천문학자들은 두 은하의 과거를 정말 잘 재구성한다면 대-소 마젤란이 우리은하와 합쳐지는 전 과정을 살펴볼 수 있을 것으로 기대하고 있다. 

이광식 과학 칼럼니스트 joand999@naver.com