[아하! 우주] 우주가 거미줄처럼…두 은하단 잇는 ‘실 가닥’ 첫 관측

두 은하단을 잇는 ‘실 가닥’이 처음으로 관측됐다. 은하단은 수백 개에서 수천 개 이상의 은하가 중력에 의해 서로 묶인 집단으로, 각 은하단은 우주에서 이런 형태로 이어져 그물망이나 거미줄 같은 구조를 이루는 것으로 생각된다. 따라서 이번 관측은 우주의 거대 구조가 이른바 ‘우주망’(cosmic web)으로 불리는 그물망 형태로 분포한다는 이론을 입증하는 첫걸음이 될지도 모른다. 세계적인 학술지 ‘사이언스’ 최신호(7일자)에 실린 새로운 연구논문에 따르면, 지구에서 약 10억 광년 거리에서 천천히 충돌하고 있는 두 은하단 ‘아벨 0399’와 ‘아벨 0401’ 사이에서 전파가 지나가는 길인 능선이 관측됐다. 이 플라스마 흐름의 길이는 무려 1000만 광년에 달한다.

천문학자들은 지금까지 우주망에서 ‘매듭’에 해당하는 은하단의 내부를 관측했지만, 각 은하단 사이를 이어주는 실 가닥인 ‘필라멘트’를 확인하는 데는 성공하지 못했었다. 연구를 주도한 이탈리아 국립천체물리연구소(INAF)의 페데리카 고보니 연구원은 “은하단 사이를 연결하는 전파 방출이 관측된 사례는 이번이 처음”이라고 설명했다.

우주는 은하단과 각 은하단이 실 가닥으로 연결된 그물망 구조 그리고 그사이 은하가 없다시피한 빈 공간인 거시공동(보이드)으로 돼 있으며, 지금까지 천문학자들은 주로 우주망에서 매듭에 해당하는 은하단 내부를 관측했다.

고온의 가스와 고밀도의 암흑물질 그리고 빛나는 별들로 구성된 은하단은 가시광과 적외선, X선, 감마선 그리고 전파 등 모든 파장에서 관측할 수 있다. 이미 아벨 0399와 아벨 0401을 비롯한 일부 은하단 중심에서는 드물게 헤일로 형태의 전파가 포착되고 있다.

하지만 은하단 사이의 공간에는 물질이 부족해 매우 어두우므로 멀리 떨어진 것을 관측하는 일은 쉽지 않았다. 하지만 연구진은 플랑크 위성이 촬영한 이미지에서 두 은하단을 연결하는 물질이 실처럼 비치고 있어 아벨 0399와 아벨 0401 사이의 공간을 관측하는 연구를 추진했다.

연구 논문 주저자인 고보니 연구원은 해당 이미지가 자신의 호기심을 자극해 두 은하단이 자기장에 의해 이어져 있다고 추정했다.

아벨 0399와 아벨 0401은 현재 합병 초기 단계에 있다. 두 은하단은 현재 약 980만 광년 떨어져 있지만 아주 먼 미래에는 충돌해 더 큰 초은하단이 될 것이다. 현재 시점에서는 은하단 사이의 공간이 심하게 훼손돼 있어 충격파와 자력선 그리고 입자가 난무하고 있다. 연구진은 유럽의 전파망원경 네트워크인 LOFAR(Low-Frequency Array·저주파간섭계)를 사용해 두 은하단 사이의 공간을 관측했다.

LOFAR는 광속에 가까운 속도로 운동하는 전자가 방출하는 전파인 싱크로트론 복사를 검출했다. 싱크로트론 복사는 전자가 자기장 주위를 고속으로 나선형으로 운동할 때 발생한다. 이처럼 전파가 지나가는 길은 우주의 그물망 곳곳에 있는 것으로 추정되지만, 오늘날 망원경으로는 탐지가 쉽지 않다고 고보니 연구원은 설명했다.

이번 연구 논문을 검토한 미국 해군연구소의 천문학자 트레이시 클라크 박사는 “이 연구에서 검출된 신호는 우주의 그물망에서 싱크로트론 복사에 관한 이론 예측보다 최대 100배나 밝은 것”이라면서 “아마 병합하는 은하단 사이의 영역에서 강해지고 있을 가능성이 있다”고 말했다.

이번에 관측된 전파의 능선은 매우 긴 거리에 걸쳐 있지만, 이 정도로 광대한 공간에서 전자가 광속에 가까운 속도까지 끊임없이 가속될 수 있는지에 대해서는 아직 알 수 없다. 이 연구를 계기로 필라멘트 안의 입자 분포와 자기장 강도 그리고 가속 과정 등 새로운 연구의 문이 한꺼번에 열리게 될 것이라고 클라크 박사는 설명했다.

사진=사이언스

윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr