참세상

복합 이미지에는 두 왜소은하를 잇는 희미한 ‘가스 다리’가 나타나 있다. 출처: ICRAR, N. Deg, Legacy Surveys (D. Lang / 퍼리미터 연구소)

우주에 존재하는 일반적인 물질 대부분은 수소로 이루어져 있다. 그러나 놀랍게도, 이 수소의 20%도 채 되지 않는 양만이 은하 내부에 존재한다. 나머지는 은하들 사이의 광대한 공간, 이른바 은하간 물질(intergalactic medium) 속에 분포한다.

이러한 우주의 저장소는 수십억 년에 걸쳐 가스가 천천히 은하로 유입되면서 새로운 별을 탄생할 수 있게 하는 원동력으로 여겨진다. 하지만 그 물질의 상당 부분은 그대로 머물지 않는다. 초신성 폭발과 초거대질량 블랙홀에서 분출되는 강력한 바람이 가스를 다시 은하간 공간으로 밀어내기도 한다.

이처럼 가스가 은하로 들어오고 나가는 유입(inflow)과 유출(outflow)의 균형은 은하가 우주 시간에 따라 어떻게 성장하고 변화하는지를 이해하는 데 핵심적인 요소다. 이 균형을 탐구하는 것이 바로 오스트레일리아 서부에 있는 CSIRO 머치슨 전파천문대(Inyarrimanha Ilgari Bundara, CSIRO’s Murchison Radio-astronomy Observatory)의 호주 SKA 패스파인더(ASKAP) 전파망원경을 활용해 수행되는 WALLABY 탐사의 주요 목표 중 하나다.

오늘 《왕립천문학회 월간 공보》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)에 발표된 WALLABY 탐사의 새로운 발견은, 은하로 들어오고 통과하고 빠져나가는 물질의 우주 순환(cosmic cycle of matter)에 대해 새로운 통찰을 제공한다.

WALLABY란 무엇인가?

이름과 달리 WALLABY는 동물과는 관련이 없다. 이 명칭은 다소 억지스럽게 만들어진 약어로, "Widefield ASKAP L-band Legacy All-sky Blind surveY"의 줄임말이다. 이는 남반구 하늘의 거의 절반에 해당하는 영역을 대상으로 중성 수소(원자 상태의 수소)를 대규모로 탐사하는 프로젝트다. ASKAP 전파망원경은 최대 10억 광년 거리까지 은하 내부와 주변의 수소를 탐지할 수 있을 만큼 민감하다.

ASKAP 전파망원경은 최대 10억 광년 거리까지 수소를 탐지할 수 있다. 출처: 알렉스 체르니(Alex Cherney) / CSIRO

WALLABY는 “블라인드(blind)” 탐사 방식으로, 이미 알려진 은하를 목표로 하지 않는다. 대신 매일 밤하늘에서 보름달의 약 150배에 달하는 넓은 영역을 스캔하며 관측을 수행한다.

은하 간 다리

연구진은 자동화된 알고리즘을 이용해 관측 데이터에서 수소의 흔적을 탐색했다. 그중 하나의 탐색에서, 눈에 띄지 않는 두 은하를 잇는 특이한 가스 다리가 드러났다. 이 은하들은 처녀자리(Virgo)자리 방향에 있는 처녀자리 은하단(Virgo Cluster) 외곽에 있다. 이 가스 다리는 최소 16만 광년에 이르며, NGC 4532와 DDO 137로 알려진 두 왜소은하 사이에서 중력 조석 상호작용에 의해 형성된 것으로 보인다.

이러한 조석력은 지구의 바닷물에 작용하는 조석과 유사하지만, 훨씬 거대한 규모로 수소로 구성되어 있다. 은하에서 당겨진 가스가 지금은 두 은하 사이를 가로질러 뻗어 있으며, 그 주변의 은하간 공간을 채우고 있다.

왼쪽: 은하 NGC 4532 / DDO 137 내부와 주변의 중성 수소 가스를 보여주는 전파 천문 이미지. 오른쪽: 해당 은하들의 광학 이미지. 출처: ICRAR, D. Lang (퍼리미터 연구소)

이런 가스 다리는 별이 거의 없기 때문에 검출하기 어렵다. 하지만 우리은하 근처에도 유사한 예가 있다. 바로 우리은하를 공전하는 두 왜소은하, 대마젤란은하와 소마젤란은하 사이를 잇는 길이 7만 광년의 가스 다리가 그것이다.

특이한 꼬리

이번에 새롭게 발견된 가스 다리는 오래전부터 풀리지 않던 수수께끼를 해명하는 데도 도움을 준다. 바로, 30년 전 아레시보 전파망원경을 통해 처음 발견된, NGC 4532와 DDO 137에서 멀리 흘러 나가는 거대한 가스 꼬리다. 이 꼬리는 가스 다리보다 10배나 더 길며, 지금까지 은하계에서 관측된 것 중 가장 거대한 구조다.

새로운 관측 결과에 따르면, 조석력은 은하 사이의 가스 다리와 주변을 감싸는 가스 외피(envelope)를 형성했지만, 이처럼 장대한 꼬리는 전혀 다른 과정을 통해 형성된 것으로 보인다.

두 은하가 처녀자리 은하단 안으로 빠르게 진입하면서, 은하단을 채우고 있는 고온·저밀도의 가스와 마주하게 된다. 이 매질을 가로지르는 은하의 운동은 마치 강한 맞바람 속에서 자전거를 탈 때 느끼는 저항처럼, 램 압력(ram pressure)을 발생시키며, 이 힘이 은하의 가스를 벗겨내어 뒤로 길게 휩쓸어낸다.

놀랍게도, 이러한 효과가 발생하는 데 필요한 가스 밀도는 세제곱미터당 약 10개의 원자에 불과하다. 이 수치는 X선 우주망원경 eROSITA의 새로운 관측 결과와도 일치한다. 두 은하가 초당 800킬로미터를 넘는 빠른 속도로 낙하하고 있기 때문에, 이처럼 희박한 매질조차도 거대한 가스 꼬리를 만들어내기에 충분하다.