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지난해 7월 미국항공우주국(NASA)은 제임스웹 우주망원경(JWST)으로 '허빅-아로(Herbig-Haro) 46/47'이라는 한 쌍의 아름다운 별을 관측했을 당시 우연히 이미지의 한 구석에 물음표 모양의 천체가 관측됐습니다. 특별한 모양을 한 이 천체는 '우주의 궁금증'이라는 별명도 붙으면서 천문학자들의 관심을 독차지 했습니다.

9월 5일 제임스웹은 이 신비로운 물음표 천체를 자세히 관찰했고 그 결과가 공개됐습니다. 에리다누스자리 46억 5천만 광년 거리에 위치한 은하단 'MACS J0417.5-1154'의 이미지에 포착된 이 물음표 모양의 천체는 크게 4개의 은하가 상호 작용을 하는 것처럼 보입니다. 하지만 이는 한 쌍의 은하가 중력렌즈 현상으로 빛이 왜곡돼 보이는 현상입니다. 빛은 직선운동을 하다 강력한 중력을 만나게 되면 굴절되는데요. 중력의 강도가 셀수록 더 크게 왜곡되고 심할 때는 같은 상이 여러 개가 보이기도 합니다. 이 물음표 천체가 바로 이러한 경우에 해당합니다.

우주망원경과학연구소(STScI)는 왜곡된 같은 천체를 A, B, C, D, E로 나눠 표시했는데요. 모두 같은 천체지만 시간이 조금씩 다른 상태입니다. 과학자들은 이러한 현상을 통해 은하의 진화에 대해 연구할 방침입니다.

물음표 천체는 중력렌즈 현장 외에도 끝에 점이 하나가 있어 물음표 형태를 완성했는데요. 아쉽지만 이 점은 앞선 곡선 형태의 은하와는 상관없이 떨어져 있는 별개의 은하입니다. 중력렌즈 현상과 별개 은하의 절묘한 위치로 비자연적인 형태의 물음표 은하가 완성됐습니다.

그런데 왜 물음표 은하가 이제서야 발견된 것일까요? 앞서 허블우주망원경은 이 천체를 관측한 적이 있습니다. 하지만 가시광선은 은하단 사이의 먼지를 뚫지 못해서 물음표 모양으로 관측하기 어려웠습니다. 제임스웹은 적외선을 통한 관측을 하기 때문에 먼지 뒤에 숨어있는 빛도 포착할 수 있었고 그 궤적이 물음표가 됐습니다.

관측 결과를 발표하는 팀 일원인 세인트 메리 대학교의 천문학자 기욤 데프레즈(Guillaume Desprez)는 "우리는 관측 가능한 우주에서 유사한 중력 렌즈 구성이 서너 개밖에 없는 것으로 알고 있는데, 이번 발견은 웹의 힘을 보여주고 더 많은 것을 발견할 수 있음을 시사하기 때문에 흥미롭다"고 전했습니다.

우주 관측을 하다 보면 수많은 은하들이 움직이면서 충돌하는 모습을 자주 볼 수 있습니다. 충돌한 은하들은 중력의 상호작용으로 합쳐지거나 다른 곳으로 떨어져 멀어집니다. 그 과정에서 떨어져나온 가스와 먼지들이 다양한 모양을 하면서 새로운 별을 만들어내기도 합니다.

제임스웹은 레오 마이너 자리로 약 4억 5천만 광년 거리에 있는 Arp 107 천체를 적외선으로 자세히 바라봤습니다. 근적외선 카메라와 중적외선 기기로 관측된 이미지에는 다른 유형의 손상된 은하 두 개가 근거리에 붙어 있는 모습이 보입니다.

연구소는 수억 년 전 왼쪽의 나선은하와 타원은하가 충돌했는데 이 과정에서 떨어져 나온 가스와 먼지를 서로 끌어당기는 과정에서 두 은하 간 사이에 화이트 색을 띠는 연결 구조가 형성됐다고 설명했는데요. 마치 오작교처럼 두 은하를 연결하는 우주의 구름다리가 보입니다.

이 두 은하는 충돌한 지 얼마 안 된 초기 단계로 상호작용을 하면서 앞으로 수억 년에 걸쳐 합쳐질 것으로 보입니다.

앞서 제임스 웹은 수레바퀴 은하를 관측하면서 은하 간 충돌로 서로 상호작용하며 다양한 아기별을 만들어 내는 것을 확인한 바 있습니다. Arp 107은 수레바퀴 은하와 다르게 은하중심은 거의 건드리지 않고 나선팔만 교란시켰는데요. 이러한 충돌로 인해 가스와 먼지의 압축으로 별이 형성되는데 얼마만큼의 영향이 있을지 앞으로의 연구가 기대됩니다.

우주에서 별이 생기는데 환경은 얼마만큼 영향을 미칠까요? 은하를 바라보면 중심에서도 별이 생성되지만 유독 외곽에서 별들이 생겨나는 모습이 띠를 이루며 집중적으로 나타나기도 합니다. 별의 생성 과정에 대한 주제는 천문학에서 중요한 부분을 차지하고 있는 만큼 다양한 연구가 진행되고 있습니다.

이러한 주제에 근거해 제임스웹은 우리은하의 극외은하를 살펴봤습니다. 극외은하는 은하의 중심에서 약 5만 8천 광년 이상 떨어진 부분을 총칭해 부릅니다. '디젤 클라우드 2S(Digel Cloud 2S)'라고 명명된 이 성단은 극외은하 중에서 별이 폭발적으로 생성되는 곳으로 매우 어린 별의 생성과 별이 뿜어내는 분출, 별끼리 서로 미치는 영향과 성장하는 모습을 다양하게 볼 수 있는 곳입니다.

제임스웹은 근적외선 카메라와 중적외선 기기를 사용해 이 특별한 곳을 바라봤습니다. 이곳은 별들의 연료인 수소와 헬륨은 풍부하지만, 다른 무거운 원소는 상대적으로 부족한데요. 이 환경은 초기 우주의 환경과 비슷합니다. 이 환경에서 어린 별들은 어떻게 활동할까요.

해당 관측 프로젝트의 수석연구원 레슬러는 "별이 형성될 때 극지방에서 물질을 방출하기 시작한다는 사실을 알고 있습니다. 제임스웹의 결과물에서 놀라운 점은 이 들 별무리에서 여러 방향으로 분출하는 제트가 있다는 것입니다. 여기저기 제트를 쏘는 것으로 보아 이는 폭죽과 비슷합니다"라고 설명했습니다.

제임스웹은 다양한 관측을 하면서 별들이 생성되는 지역을 다양하게 포착했지만, 아기별들이 폭발적으로 제트를 뿜어내는 곳은 별로 없었습니다. 이번 관측으로 별 형성에 대한 수수께끼를 풀어낼 실마리가 잡힐 수 있을지 연구의 결과가 기대됩니다.