“우리는 외계 은하계 이민자일까”
지금까지 우리가 알고 있었던 것과는 달리 우리 은하계를 이루는 물질의 절반 이상이 다른 은하계에서 온 것이라는 주장이 나왔다. 그 결과 ‘현재의 우리’를 구성하는 물질이 부분적으로는 우리 은하계 밖의 물질로 만들어졌을 수 있다는 것이다.
미국 노스웨스턴대 천체물리학자들은 처음으로 이 같은 종류의 연구, 분석을 수행해 ‘왕립 천문학회 월간 정보지’(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society) 27일자에 발표했다.
연구팀은 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션을 사용해 우리 은하계를 포함한 여러 은하들이 자체 물질을 어떻게 획득했는가를 알 수 있는 ‘은하계 간 물질 전송’(intergalactic transfer)에 대한 중요하고 예기치 못한 새로운 방식을 발견했다. (동영상 및 사진)
우리 은하계와 비슷한 나선형 은하인 Messier 101의 근접 촬영 모습. 팬케이크와 같은 모양을 하고 있으며, ‘바람개비 은하(Pinwheel Galaxy)’라는 별칭으로 불리기도 한다. Credit : NASA
“우리 주변 물질 반 이상 외부 은하에서 왔다”
이 시뮬레이션 결과에 따르면 초신성 폭발은 은하들로부터 엄청난 양의 가스를 방출해, 원자들이 이 강력한 은하계 바람을 통해 한 은하계에서 다른 은하계로 전달됐다는 것이다. 이같은 은하계 간 이동은 새로 확인된 현상으로, 시뮬레이션이 나타낸 결과는 은하계의 진화를 이해하는 핵심 요소로 생각되고 있다.
연구를 주도한 노스웨스턴대 천체물리학 센터(CIERA) 박사후 과정 연구원인 다니엘 앙글레-알카자르(Daniel Anglés-Alcázar) 박사는 “우리 은하계에서 형성된 많은 물질이 다른 은하계에서 온 것일 수 있다고 생각하면 우리는 스스로를 우주여행자나 외계은하계 이민자라고 생각할 수 있다”고 말했다.
그는 “우리 은하계 물질의 많은 부분이 원래 다른 은하들에 있다가 강력한 바람에 의해 이탈해 은하계 간 우주를 건너 최종적으로 우리 은하계에 안착한 것 같다”고 덧붙였다.
은하계 간 이동이 일어날 수 있는 M81(오른쪽 아래)과 M82(왼쪽 위) 은하 쌍. M82에서 초신성 폭발로 방출된 가스는 우주공간을 통과해 M81 은하의 성장에 기여할 수 있다. Credit: Fred Herrmann, 2014, http://cs.astronomy.com/asy/m/galaxies/489483.aspx
‘은하 간 물질이동’ 수십억년에 걸쳐 일어나
은하들은 서로 너무 멀리 떨어져 있어 은하계 간 바람이 초당 수백Km 속도로 분다 해도 물질을 옮기는 과정은 수십억년에 걸쳐 일어났을 것으로 보인다.
공동연구자인 끌로드-앙드레 포쉐르-기게르(Claude-André Faucher-Giguère) 조교수(물리학 및 천문학)와 그의 연구그룹은 FIRE(Feedback In Realistic Environments) 프로젝트 공동작업자들과 함께 은하의 실제적인 삼차원 모델을 만들 수 있는 정교한 수치 시뮬레이션을 개발해 빅뱅 직후부터 현재까지의 은하 형성을 추적했다. 앙글레-알카자르 박사는 이어 여기서 나오는 풍부한 자료를 선별하고 은하들이 우주로부터 어떻게 물질을 획득하는지를 정량화하는 최신 알고리듬을 개발했다. 이 연구에는 수백만 시간에 달하는 연속적인 컴퓨터 작업이 필요했다.
포셔-기게르 교수는 이번 연구가 “빅뱅으로부터 은하들이 어떻게 형성되었는가에 대한 이해를 바꿔놓았다”고 말했다. 그는 “이 새로운 방식은 태양계와 지구 그리고 우리들 각자를 포함한 주변의 원자 가운데 절반 이상이 1백만 광년(光年) 이상 떨어진 다른 은하들로부터 왔다는 것을 의미한다”고 설명했다.
‘은하 간 이동(intergalactic transfer)’의 세 가지 실례를 시뮬레이션 한 모습. 녹색 선은 가까운 은하들로부터 바람을 타고 방출돼 공간을 통해 이동한 가스의 궤적을 보여준다. 이 가스들은 중력에 의해 중앙의 은하로 끌려 들어갔다. Credit: Daniel Anglés-Alcázar, Northwestern University
시뮬레이션으로 여러 은하계 별들의 기원 추적
연구팀은 시뮬레이션에서 물질의 복잡한 흐름을 자세히 추적함으로써 가스가 작은 은하들에서 우리 은하계처럼 별들을 형성한 더 큰 은하들로 흘러간다는 것을 발견했다. 은하계 바람을 통한 이 질량 이동은 큰 은하계 전체 물질의 50%까지 차지할 수 있는 것으로 확인됐다.
논문 교신저자인 앙글레-알카자르 박사는 “우리는 시뮬레이션을 통해 우리 은하계와 같은 은하들에서 별들의 기원을 추적하고, 그 별이 고유의 은하계에서 형성되었는지 아니면 전에 다른 은하계에 포함돼 있던 가스로부터 만들어졌는지 추적할 수 있었다”고 밝혔다.
은하계에서는 별들이 서로 묶여있다. 공통의 질량 중심을 선회하는 별들이 큰 집단을 형성하고 있는 것. 140억년 전 빅뱅 직후 우주는 균일한 가스로 채워졌고, 별들이나 은하도 없었다. 그러다 가스에 작은 섭동(攝動)이 나타나면서 중력에 의해 성장하기 시작해 별들과 은하들이 생성됐다. 은하들이 만들어진 뒤 각 은하들은 고유의 특성을 갖게 됐다.
작은 궤도 위성 은하에서 중심에 있는 우리 은하계같은 큰 은하계로 ‘은하 간 가스이동’을 보여주는 애니메이션. 배경색의 규모는 중심 은하의 별의 분포를 나타내며 녹색 원은 위성 은하로부터 가스 이동을 나타낸다. Credit: Daniel Anglés-Alcázar, Northwestern University
은하 형성에 대한 새로운 연구영역 개척
CIERA 멤버이기도 한 포쉐르-기게르 조교수는 “우리의 기원은 이전에 생각했던 것보다 훨씬 덜 국지적”이라며, “이번 연구는 우리 주변의 것들이 하늘에서 멀리 떨어져 있는 물체들과 어떻게 연결돼 있는지 알 수 있게 해준다”고 말했다.
이번 연구 결과는 은하 형성을 이해하는 새로운 연구 영역을 개척했고, 이에 따라 은하 간 이동 예측을 시험할 수 있게 됐다고 연구진은 전했다. 노스웨스턴대 연구팀은 허블 우주망원경 및 지상 관측소에서 일하는 관측 천문학자들과 협력해 시뮬레이션 예측을 시험해 볼 계획이다.
이번 연구는 미국 항공우주국(NASA)과 국립과학재단, 노스웨스턴대 CIERA가 지원했고, 시뮬레이션은 과학재단의 ‘극한 과학 및 공학 발견 환경’(Extreme Science and Engineering Discovery Environment) 슈퍼컴퓨팅과 노스웨스턴대의 퀘스트 고성능 컴퓨터 클러스터를 활용했다.
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