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미지의 우주를 더 자세히 바라보기 위해 발사된 제임스 웹 우주망원경(James Webb Space Telescope, JWST)의 첫번째 풀컬러 고해상도 이미지가 공개됐습니다.

조 바이든 미국 대통령은 지난 11일(현지시간) 워싱턴 백악관에서 열린 제임스 웹 우주망원경 첫 이미지 시사회 행사에서 제임스 웹의 첫번째 이미지 중 하나인 SMACS-0723 은하단 이미지를 공개했습니다. 이어 12일 오전 10시 30분(현지시각, 한국시각 12일 23시 30분) 미국 고다드 우주센터에서 나머지 4가지 천체에 대한 풀컬러 이미지와 분광 데이터가 공개됐습니다.

나사에서는 공식 유튜브 채널을 통해 이 공개행사를 실시간 스트리밍으로 중계했는데요. 제임스 웹의 이미지 공개 순간을 보기 위해 십수만명이 몰리면서 한때 중계방송이 지연되기도 했습니다.

공개된 이미지에는 이론상 존재할 것으로 생각해온 다양한 은하의 모습과 우주현상이 실제로 결과물에 나타났습니다. 하나하나 공개될 때마다 이를 실시간으로 지켜본 사람들은 탄성을 내질렀습니다. 관측과정을 설명하는 영상 속 연구진들의 얼굴에서도 놀라움으로 입을 다물지 못하는 모습이 포착되기도 했습니다.

나사의 공식 공개시간에 앞서 바이든 대통령이 선공개한 SMACS-0723 은하단 사진은 같은 곳을 장시간 바라보며 촬영한 딥필드 사진입니다. 나사는 이 은하단의 촬영영역이 천구상 시직경(하늘을 눈으로 바라볼 때) 지구상에서 누군가가 팔을 뻗은 거리에 있는 모래알만한 크기에 해당되는 부분이라고 설명했습니다.

제임스 웹의 근적외선 카메라(NIRCam)에 의해 촬영된 이 딥필드 이미지는 서로 다른 파장의 영상을 통해 만들어진 합성물로, 총 12.5시간 동안의 노출을 통해 얻을 수 있었습니다. 몇 주간의 노출을 통해 얻은 허블 우주망원경의 딥필드 이미지보다 더 깊은 적외선 파장으로 촬영해 더 밝고 더 많은 천체가 포착됐습니다.

SMACS-0723 은하단은 크고 작은 은하들이 모여 엄청난 질량을 가지는데 그 규모는 태양 질량의 약 839조 배에 달합니다. 이 정도로 강력한 중력이 작용하면 빛조차 휘여지는 '중력렌즈' 효과가 발생하게 되는데요. 공개된 이미지 중간중간에서 은하들이 곡선으로 휘어진 모습으로 촬영된 모습을 볼 수 있습니다.

중력렌즈 현상은 은하단 뒤에 존재하는 대상을 확대시켜 보여주기도 하고 그 대상을 훨씬 밝게 증폭시켜주기도 합니다. 허블 우주망원경도 중력렌즈 현상을 이용해 초기 우주의 별 '에렌델'을 포착해내기도 했죠.

에렌델은 지구와 약 129억 광년 떨어져 있어 가시광선과 근자외선 파장을 촬영하는 허블 망원경으로는 관측이 불가능했지만, 이례적으로 중력렌즈 효과를 통해 약 1천 배 밝게 증폭돼 관측이 가능했습니다.

제임스 웹이 포착한 초기 은하엔 어떤 것이 있을까요? 나사는 SMACS-0723 은하단 딥필드의 분광데이터 분석을 통한 초기우주의 자료를 따로 공개했는데요. 여기서 113억년전 은하, 126억년전 은하, 130억년전 은하 그리고 131억년전 은하의 위치와 모습을 공개했습니다.

이 은하들은 중력렌즈 효과를 통해 관측됐지만 너무나도 멀리 떨어져 있어 빛의 파장이 길어지면서 붉은색을 띄는 적색편이 현상을 보이고 있습니다.

나사에서는 "제임스 웹 근적외선 분광기(NIRSpec)의 일부인 웹의 '마이크로셔터 어레이'에 포착됐고, 이 기구는 매우 민감해서 초기 우주에 존재했던 개별 은하들의 빛을 관찰할 수 있었다"고 설명했습니다.

이어 "제임스 웹의 분광 성능으로 멀리 떨어진 은하의 스펙트럼을 관찰할 수 있게 해줬다"며 "은하의 빛을 스펙트럼으로 확장하면 그 은하의 이온화된 가스의 화학적 구성, 온도, 밀도에 대해 알 수 있다"고 전했습니다.

이 자료를 토대로 별들이 어떻게 형성되고 있고, 얼마나 많은 먼지가 포함돼 있는지를 나타내는 가스의 특성을 알 수 있게 된다는 겁니다.

중력렌즈에는 같은 대상이 두 개 보이는 현상도 존재합니다. 중력렌즈로 빛이 휘어져 있는 부분을 살펴보면 같은 모양의 별이 대칭형으로 포착돼 있는 걸 확인할 수 있습니다. 다른 방향으로 뻗어져 나가던 빛이 굴절돼 제임스 웹에 도달해 발생한 현상입니다. 마치 쌍둥이 은하로 보이지만 실제로는 하나의 은하였던 것이죠.

나사에서는 바이든 대통령이 공개한 근적외선 카메라(NIRCam)로 촬영한 이미지에 더해, 중적외선 관측장비(MIRI)로 촬영한 이미지도 공개했습니다. 중적외선은 근적외선보다 파장이 더 긴 부분으로 더 오래된 빛을 포착할 수 있습니다. 실제로 위의 비교 이미지를 보면 중적외선 기구로 촬영한 이미지가 더 어둡고 적은 수의 은하를 담아낸 걸 확인할 수 있습니다.

나사는 "두 이미지에서 은하가 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 대한 단서를 제공한다"며 "물체가 작을수록 더 멀리 떨어져 있는 것"이라고 설명했습니다.

이어 "MIRI에서 녹색을 띄는 은하는 먼지에 탄화수소와 다른 화합물이 섞여 있음을 나타낸다"며 "MIRI는 중적외선을 포착해 별 형성의 주요성분인 먼지가 있는 위치를 강조한다"고 밝혔습니다.

나사에서는 딥필드 이미지에 이어 외계행성 WASP-96b의 대기성분 분석 데이터를 공개했습니다.

WASP-96b는 우리은하에 있는 5천여개의 외계행성중 하나인데요. 봉황자리에서 약 1150광년 떨어진 곳에 위치한 WASP-96 항성을 공전하는 목성형 가스행성입니다.

이 행성은 목성의 절반 정도 질량을 가지고 있고 지름은 약 1.2배에 달합니다. 항성과 매우 가까이 붙어 있어 행성 온도는 약 537도에 달합니다. 이렇게 높은 온도를 가지는 이유는 행성의 위치 때문인데요. 공전궤도가 태양과 수성 사이의 1/9에 불과해 한 바퀴를 도는 데 3일밖에 안걸립니다.

나사는 이 행성의 대기가 팽창돼 있어 행성 분광 데이터를 통한 대기 조사를 하기에 이상적인 표적이라고 설명했습니다.

분광 데이터는 어떻게 사용하느냐에 따라 은하의 나이와 구성성분을 알수도 있지만 행성에 대한 분석도 가능합니다. 바로 트랜짓 현상인데요. 외계행성이 공전하면서 별 앞을 가리고 지나갈 때 별에서 방출된 빛이 외계행성을 거쳐 밝기가 변합니다. 이 빛의 변화를 분석해 외계행성에 어떤 대기 성분이 있는지, 어떤 모양을 하고 있는지를 알 수 있습니다.

제임스 웹은 WASP-96 항성계를 6시간 23분 동안 응시하면서 WASP-96b가 별을 통과하는 약 2시간동안 근적외선 이미저 및 슬릿리스 분광기(NIRISS)가 빛의 변화를 분석했습니다.

그 결과 제임스 웹은 뚜렷한 물의 특징을 나타내는 분석 결과를 내놓았습니다. 대기에는 구름과 아지랑이·연무에 대한 흔적이 존재했습니다.

우리가 우주를 탐사하는 목적중 하나는 지구를 제외한 외계행성의 생명체 존재 여부입니다. 조금 더 자세하게 바라본다면 인간과 같은 탄소기반의 생명체 존재를 찾는 것입니다. 탄소기반의 생명체는 물이 없다면 존재할 수 없죠. 그래서 과학자들은 외계행성에서 물의 존재 여부를 매우 중요한 판단근거로 두고 있습니다.

탄소기반의 생명체를 발견하지 못하더라도 괜찮습니다. 우주탐사의 다른 목적중 하나가 지구를 떠나 정착할 수 있는 제2의 지구를 찾는 것이기 때문입니다. 우리 인류는 아직 모행성 지구를 떠날 수가 없죠. 왜냐하면 인류가 생존하기 적합한 천체를 발견하지 못했기 때문입니다.

그러한 점에서 제임스 웹의 외계행성 WASP-96b 대기 조사는 큰 의미를 가지고 있습니다. 1150광년 떨어진 외계 행성의 대기를 정확하게 분석해낸 데다, 외계생명체의 존재 또는 제2의 지구가 존재할 것으로 여겨지는 행성에 대해 좀더 자세한 조사를 수행할 수 있다는 걸 보여줬기 때문입니다.

제임스 웹의 세번째 공개 이미지는 남쪽고리성운(Southern Ring Nebula, NGC 3132)을 담았습니다. 이 신비하고 아름다운 성운은 망원경으로 관측시 8자 모양으로 폭발하는 것처럼 보이기도 해 '팔렬성운'(Eight-Burst Nebula)으로 불리기도 합니다.

지구에서 돛자리 방향으로 약 2500광년 거리에 위치한 이 행성은 망원경으로 관측시 가장자리가 원반형인 행성 모양으로 보이는데요. 태양 같은 항성이 늙어가면서 점점 커지다 가스를 내뿜으면서 아름답게 빛나는 모양을 가지는데 중심에 있는 별이 빛나는 모습을 하고 있습니다.

여기서 제임스 웹은 근적외선 카메라(NIRCam)촬영을 통해 허블에서는 뿌옇고 몽환적으로 보이는 가운데 동그란 원 내부 모습을 자세하게 보여줬습니다. 원 가운데 두 가닥으로 뻗어 있는 필라멘트 줄기도 선명하게 보이고 원 내부의 안갯속 모습도 자세하게 포착했습니다.

또한 주변부의 이글거리는 먼지구름이 퍼져 나가는 모양이 아주 자세하게 잡혔습니다. 중심별에서 퍼져나온 안개와 같은 물질이 주변부 먼지구름에 스며드는 듯한 모습도 환상적으로 잡아냈습니다.

제임스 웹은 이 성운에 중적외선 관측장비(MIRI)를 사용해 근적외선으로는 담지 못한 새로운 모습을 포착해내기도 했습니다. 중적외선으로 촬영한 이미지는 성운 내부의 원 안은 빨갛고 원 밖의 부분은 초록색을 띄고 있습니다. 여기서 초록색 부분은 성운의 먼지에 해당되는 부분입니다.

MIRI는 지금까지는 전혀 알려지지 않은 새로운 것을 포착해내기도 했습니다. 성운의 중심 부분에서 폭발을 일으켜 죽어가는 별의 바로 옆부분에 다른 별 하나가 더 포착된 것입니다.

수많은 먼지와 가스로 둘러싸여 있는 이 두 개의 별은 중력의 상호작용으로 서로를 돌면서 가스와 먼지를 휘저었고, 그 결과 이러한 모양의 패턴을 만들어냈습니다.

제임스 웹의 네번째 이미지로 공개된 '슈테팡의 5중 은하군' 모습은 충격적이었습니다. 근적외선 카메라(NIRCam)와 중적외선 관측장비(MIRI)의 결과물을 합성해 만들어낸 이 이미지는 기존 허블 우주망원경으로는 상상할 수 없었던 은하 내부의 구조와 은하간 상호작용하는 모습을 절묘하게 포착해냈습니다.

이미지 가운데 서로 끌어당기고 있는 듯한 은하들(가장 위쪽은하에서 시계방향으로 NGC7319, NGC7318b, NGC7318a, NGC7317)은 지구에서 약 2억 9천만 광년 거리에 있습니다. 마지막 가장 왼쪽에 있는 한 개의 은하(NGC7320)는 약 4천만 광년 거리에 위치해 있습니다. 언뜻 보면 4개의 은하만 모여 있는 듯 보이지만 은하규모의 거리에선 가까운 편에 속합니다.

이 은하군은 거리가 매우 가까운 2개, 약간 떨어진 2개 그리고 상대적으로 멀리 떨어진 1개의 은하가 서로를 끌어당기며 어떠한 상호작용을 하는지 연구하기에 매우 적합한 조건을 갖추고 있어 과학자들의 뜨거운 관심을 받고 있습니다.

이 은하군은 기존 허블 우주망원경으로 관측했을때 은하들의 위치가 매우 가까워 충돌하거나 영향을 미칠 수 있겠다 정도로 추정됐는데요.

하지만 이번 관측으로 은하 내부의 모습이 포착됨에 따라 은하들이 서로 상당한 영향을 미치고 있고 매우 근접한 두 은하는 이미 충돌해 거대한 충격파가 형성됐다는 것을 알게됐습니다. 이 충격파로 퍼져나간 먼지구름에 의해 주변의 두 은하도 영향을 받고 있는 것처럼 보입니다.

놀라운 점은 또 있습니다. 가장 위쪽의 은하 NGC7319의 중심에는 태양의 2400만 배에 달하는 블랙홀이 자리잡고 있으며, 매우 밝은 빛을 뿜어내며 활발하게 활동하고 있는데요.

제임스 웹은 근적외선 카메라(NIRCam)와 중적외선 관측장비(MIRI)로 관측해 블랙홀 근처와 주변에서 발생되는 뜨거운 가스의 모습을 포착하는가 하면, 이 가스의 구성 성분도 분석해냈습니다. 기존의 허블 우주망원경의 이미지에는 먼지에 둘러싸여 전혀 보이지 않았던 모습입니다.

가장 왼쪽에 위치한 은하 NGC7320은 중적외선 관측장비(MIRI)로 관측한 이미지에서 은하 내부 별의 모습과 은하의 핵까지 자세하게 포착됐습니다. 과학자들은 이러한 관측 자료를 연구해 은하들이 어떻게 충돌하고 어떻게 영향을 받는지 연구할 것입니다.

마지막 이미지의 주인공은 용골자리 성운의 북서쪽에 위치한 NGC3324 산개성단의 이미지였습니다. 지구에서 용골자리 방향으로 약 7600광년 떨어진 이 성단은 마치 거대한 산맥을 연상시키며 '우주의 절벽'이라고도 불리는데요. 실제로는 거대한 가스 공동의 가장자리 모습으로 수많은 별들이 탄생하는 곳입니다.

왼쪽 상단에는 위로 툭 튀어나온 기둥이 보이는데요. 성단에서 흘러나온 뜨거운 먼지 구름으로 꼭대기의 높이는 약 7광년에 달합니다.

이 지역은 아기별들로 가득 차 있기에 '항성 요람 영역'(stellar nurseries) 지역이라고 불리기도 하는데요. 이 아기별들이 내뿜는 자외선과 항성풍의 영향을 받아 조금씩 침식되고 있습니다.

제임스 웹의 적외선 촬영은 기존 허블 우주망원경으로는 포착할 수 없었던 별들이 탄생하는 공간을 아름답게 보여줍니다. 이미지 가운데 산맥 내부 동굴에는 아기별이 탄생하는 공간이 있는데, 가시광선으로는 먼지에 막혀 볼수 없었죠.

그 공간이 적외선 촬영을 통해 세상에 드러났습니다. 이 공간에서는 생성된 지 얼마되지 않는 어린 별들이 군데군데 보이는데, 그중 일부는 원시성 제트를 방출하는 모습을 보이기도 합니다.

제임스 웹이 이 성단을 촬영한 이유는 별의 형성 과정을 자세하게 밝혀주는 곳이기 때문입니다. 나사는 "제임스 웹이 거대한 가스와 먼지 구름의 진화에 별 형성이 미치는 영향을 밝힐 것"이라고 밝히기도 했죠.

지금까지 갓 태어난 아기별과 질량이 낮은별에 대한 정보는 별로 확보된 게 없습니다. 따라서 이번 관측은 별의 생성과 생애를 연구하는데 새로운 지평을 열어줄 것으로 기대됩니다.

수많은 과학자들은 제임스 웹이 너무 강력해서, 어떤 걸 발견할지조차 알 수 없다고 단언해왔습니다. 반신반의하던 우리는 다섯가지 첫 관측 결과물 자료에서 이미 전례없는 성과를 확인한 셈이죠.

가시광선으로는 볼 수 없었던 먼지 속의 별, 외계행성 대기에 존재하는 물, 별의 죽음과 가스의 변화, 초기우주 은하의 빛, 블랙홀 주변의 구성성분까지 하나하나 열거하기 어려울 정도로 놀라운 능력을 전세계에 선보였습니다.

하지만 제임스 웹의 임무는 이제 막 시작됐을 뿐입니다. 당초 10년으로 계획된 임무계획도 추진체 연료상황이 좋아 더 장기적으로 활약할 수 있게됐죠.

강산도 변한다는 이 시간동안 제임스 웹이 관측하고 분석할 천체는 저 하늘에 가득합니다. 하나하나 관측 결과물이 공개되면서 그 천체의 본모습을 확인하게 될 겁니다. 우리는 단지 '놀랄 준비'만 하면 됩니다.