천문연 연구진, 은하단 1만 개에 하나 남옴직한 '원시초은하단' 발견

우리은하 질량의 약 5천배이면서 가장 멀어
천문연과 한국고등과학원, 미국 퍼듀대 등

새로 발견된 은하 원시 초은하단인 COSMOS-z3.1-A 모습.  (사진=천문연 제공)

한국천문연구원이 참여한 국제 공동 연구진이 은하가 중력으로 묶여 있는 결합체를 발견했는데 지금까지 발견된 것 가운데 가장 멀리 떨어져 있으면서 가장 무거운 하단(proto-supercluster)으로 조사됐다. 'COSMOS-z3.1-A'이라고 명명된 이번 원시 초은하단 질량은 우리은하의 5000배에 달하며, 지금까지 알려진 원시 초은하단 가운데 가장 멀고 무거운 것으로 나타났다.

천문연은 한국고등과학원, 미국 퍼듀대학교 및 럿거스대학교가 공동 운영하는 대규모 탐사 프로젝트 'ODIN(One-hundred-deg² DECam Imaging in Narrowbands)'의 관측자료를 활용해 연구 수행중이다. 탐사 프로젝트 ODIN은 칠레 세로톨로로 천문대(CTIO)의 빅터 M. 블랑코 4m 망원경에 장착된 암흑에너지카메라(DECam)를 이용해 지난 3년간 100일 이상 관측을 수행하며 먼 우주의 은하와 거대 구조를 탐사했다. 지금까지 연구진은 ODIN 탐사를 통해 약 100억~120억 광년 떨어진 150개의 원시은하단을 찾았고, 이 가운데 은하가 높은 밀도로 모여 있는 'COSMOS-z3.1-A'와 'COSMOS-z3.1-C'를 집중 분석했다.

연구진은 암흑에너지분광장비(DESI), 제미니 망원경의 다천체분광기(GMOS), 켁Ⅱ 망원경의 다천체분광기(DEIMOS) 등을 이용해 후속 분광관측을 수행하는 등 먼 우주에 있는 다수의 원시은하단에 대한 정밀한 3차원 우주지도를 제작하는 데 성공했다. 이처럼 먼 우주에 존재하는 여러 원시은하단을 상세한 3차원 구조로 구현한 것은 이번 연구가 최초 사례 중 하나다.

3차원 지도를 분석한 결과, COSMOS-z3.1-A와 COSMOS-z3.1-C는 모두 시간이 흐르면 가까운 우주에서 가장 거대한 은하단 중 하나인 머리털자리 은하단(Coma Cluster)보다 더 무거운 은하단으로 성장할 것으로 나타났다. 특히 COSMOS-z3.1-A는 단일 원시은하단을 넘어, 여러 은하단이 모인 초은하단으로 성장할 '원시 초은하단'인 것으로 밝혀졌다. COSMOS-z3.1-A는 기존에 알려진 원시 초은하단인 '하이페리온(Hyperion)'보다도 더 이른 시기에 형성된 구조다. 연구진은 이처럼 극단적으로 무겁고 밀도가 높은 구조가 은하단 1만 개당 하나 미만으로 존재할 정도로 매우 희귀할 것으로 추정한다.

또한 3차원 지도를 통해 이들 원시은하단이 하나의 매끄러운 구조가 아니라 여러 개의 작은 덩어리가 모인 불규칙한 형태를 띠며, 여러 우주 거미줄 필라멘트(cosmic web filament)가 교차하는 지점에 자리한다는 사실을 확인했다. 이는 작은 구조가 먼저 형성되고 이후 서로 병합하면서 더 큰 구조를 이룬다는 기존의 '상향식 우주 구조 형성 모델'을 관측적으로 뒷받침하는 결과다.

현재 이들 원시은하단을 구성하는 여러 작은 구조는 시간이 흐르면서 중력에 의해 서로 합쳐지고, 결국 오늘날 가까운 우주에서 관측되는 크고 안정적인 은하단으로 진화할 것으로 연구진은 보고 있다.

본 논문의 제3저자이자 ODIN 탐사관측팀에서 핵심 역할을 한 문병하 박사(8월 UST 졸업)는 "이번 연구는 우주 나이가 20억 년에 불과하던 시기에 이미 거대한 우주 구조의 골격이 형성되고 있었음을 보여준다"며 "막연히 이론으로만 예측하던 초기 우주의 거대구조 형성 현장을 실제 3차원 관측 데이터로 직접 규명했다는 점에서 우주 진화 연구의 중요한 이정표가 될 것"이라고 설명했다.

한편, 이번 연구 결과는 국제학술지 The Astrophysical Journal에 게재됐다.
임병안 기자