[아하! 우주] 2037년 등장할 초신성의 네 번째 빛을 기다리는 과학자들

초신성 폭발은 우주에서 가장 강력한 폭발이다. 거대한 별이 마지막 순간 폭발하면서 방출하는 에너지는 은하 전체의 빛과 맞먹을 정도로 밝다. 하지만 이렇게 밝은 초신성 폭발도 100억 광년 이상 떨어진 거리에서는 너무 희미해 관측하기가 쉽지 않다. 물론 초신성뿐이 아니라 은하도 마찬가지다. 하지만 자연은 먼 우주를 연구하는 과학자들에게 한 가지 선물을 준비했다.

100여 년 전 아인슈타인은 상대성 이론에 근거해 멀리 떨어진 천체에서 온 빛이 은하처럼 무거운 천체를 지나면서 렌즈처럼 굴절되어 확대되거나 여러 개의 상이 맺히는 중력 렌즈 효과가 발생할 것으로 예언했다. 아인슈타인의 생각은 실제 관측으로 입증됐다. 그리고 이제 중력 렌즈는 멀리 떨어진 천체를 관측하는 데 없어서는 안 될 도구다. 희미한 은하나 초신성의 빛을 수십 배로 증폭해서 보여주기 때문이다.

최근 허블 우주 망원경에 관측된 중력 렌즈 효과를 분석하는 레퀴엠 (REQUIEM, REsolved QUIEscent Magnified Galaxies) 연구를 수행 중인 국제 과학자팀은 흥미로운 사실을 발견했다. 사우스 캘리포니아 대학의 스티브 로드니 (Steve Rodney)가 이끄는 연구팀은 지구에서 40억 광년 떨어진 은하단인 MACS J0138.0-2155에 의해 확대된 은하를 분석하던 중 2016년 보였던 작은 은하가 2019년 이미지에는 보이지 않는 것을 확인했다. (사진에서 작은 원 안의 점)

은하는 몇 년 만에 사라질 수 없다. 따라서 이미지에 포착된 것은 은하가 아니었다. 해당 천체는 100억 광년 떨어진 것으로 이 거리에서 은하만큼 밝으면서 짧은 시간 동안 사라질 수 있는 천체는 초신성뿐이다. 물론 중력 렌즈에 포착된 초신성 자체는 드문 일이 아니지만, 이미지를 분석한 연구팀은 이 초신성의 상이 3개가 아니라 4개여야 한다는 결론에 도달했다. 그렇다면 4번째 빛은 어디로 갔을까? 연구팀은 이 빛이 좀 더 먼 경로를 돌아오고 있어 2037년에야 보일 것으로 예상했다.

렌즈라고 표현하지만, 사실 중력 렌즈는 매끈한 렌즈가 아니라 다소 불규칙한 형태를 지닌 은하단인 경우가 많다. 따라서 초점이 맞지 않는 것은 물론 상이 왜곡되거나 혹은 관측자에 빛이 도달하는 시점이 다 다른 경우도 있다. 물론 이는 매우 미세한 차이지만, 100억 광년 떨어진 장소에서 오는 빛이라면 수십 년 정도 차이를 만들 수 있다. 다만 이런 미세한 차이를 계산해 정확한 관측 시점을 예측하기는 어려웠다.

연구팀은 네 번째 빛이 2037년에서 수년 전후로 지구에 도착할 것으로 예상하고 있다. 이를 관측하면 중력 렌즈 효과를 더 정교하게 예측할 수 있을 뿐 아니라 암흑 물질, 우주의 팽창 속도 연구 등에도 도움이 될 것으로 기대된다.

고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com