우리 은하처럼 덩치가 큰 회전 원반 은하가 출현하려면 빅뱅 이후 적어도 60억년은 지나야 가능한 것으로 알려져 있다. 은하가 주변의 작은 은하를 합병하고 뜨거운 가스 덩어리를 모아 덩치를 키우고 정돈되려면 이 정도 시간이 걸린다는 것이다.

하지만 138억년 우주 역사에서 10%밖에 지나지 않은 초기 우주에서 이런 대형 회전 원반은하가 관측돼 기존 은하 형성 모델에 도전장을 제기했다.

미국 국립전파천문대(NRAO)와 독일 막스 플랑크 천문학연구소(MPIA)에 따르면 이 연구소의 마르첼 넬레만 박사가 이끄는 연구팀은 빅뱅 이후 15억년밖에 안 된 시점에서 관측된 'DLA0817g'에 대한 연구 결과를 과학 저널 '네이처'(Nature) 최신호에 발표했다.

▲ 초기 우주에서 관측된 대형 회전 원반은하 '울프 디스크' 상상도.왼쪽 상단은 울프 디스크 확인의 단초가 된 퀘이사를 나타낸 것이다.

미국 천문학자 아서 M. 울프의 이름을 따 '울프 디스크'로 불리는 이 은하는 지금까지 관측된 회전 원반 운하 중 가장 멀리 있는 천체로 나타났다.

연구팀은 칠레 북부 아타카마 사막에 있는 전파망원경 배열인 '아타카마 대형 밀리미터/서브밀리미터 집합체'(ALMA)와 고감도 전파망원경 칼 G. 잰스키 초대형 배열(VLA), 허블 우주망원경을 이용해 울프 디스크를 관측했다.

ALMA를 통해 은하의 움직임과 은하 내 가스·먼지 질량을 측정하고 VLA와 허블 망원경을 이용해서는 별 형성 물질과 대형 별 등을 관측했다.

그 결과, 울프 디스크가 우리 은하처럼 초당 272㎞ 속도로 회전 중이며, 700억개의 별에 달하는 질량을 갖고 있으면서도 우리 은하보다 10배가 넘는 속도로 별을 만들어내고 있는 것을 확인했다.

무엇보다 주변 은하를 합병하느라 어수선했던 다른 초기 은하들과는 달리 질서 정연한 대형 회전 원반 은하라는 점에서 차이를 보였다.

▲ ALMA로 포착한 '울프 디스크' 전파 이미지

넬레만 박사는 "초기 우주에서 발견된 은하들은 대부분 지속적이고 종종 폭력적인 합병을 거치느라 열차 사고 현장처럼 어수선해 보였다"면서 "이런 격렬한 합병은 우리가 관측한 것 같은 질서정연한 회전 원반 은하를 구축하는 것을 어렵게 한다"고 설명했다.

대부분의 은하 형성모델은 은하가 잘 정돈된 원반 형태를 갖추려면 빅뱅 이후 60억년은 지나야 가능할 것으로 제시해왔다.

울프 디스크의 존재는 은하가 덩치를 키우는 다른 과정이 있을 수 있다는 것을 나타내는 것인데, 논문 공동저자인 샌타크루즈 캘리포니아대학의 재비어 프로차스카 교수는 "울프 디스크가 (합병 대신) 차가운 가스를 지속해서 끌어모아 덩치를 키운 것으로 추정한다"고 했다. 그러면서도 "어떻게 그렇게 거대한 가스를 끌어모아 안정적인 회전 원반 은하를 구축하게 됐는지는 여전히 의문으로 남는다"고 했다.

연구팀은 지난 2017년 울프 디스크보다 더 멀리 떨어진 곳에 있는 활동은하핵을 가진 밝은 은하인 '퀘이사'(Quasar)를 관측하다가 울프 디스크의 존재를 처음 확인했다. 퀘이사의 빛이 울프 디스크를 둘러싼 수소층을 지나면서 줄어드는 것을 통해 은하가 있다는 것을 간접적으로 알게 된 것이다.

연구팀은 퀘이사-은하- 지구 순으로 일직선 위에 위치하는 것이 흔하지 않은데도 이런 방식으로 울프 디스크의 존재가 확인됐다는 것은 초기 우주에 이런 형태의 은하가 드물지 않을 수 있다는 것을 나타내는 것으로 해석했으며, 추가 관측을 통해 비슷한 은하를 더 찾아낼 수 있을 것으로 전망했다.

국제팀  press@jeonpa.co.kr

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