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미국 항공우주국(NASA)의 제임스웹 우주망원경(JWST)이 촬영한 MACS J1423 은하단. 은하단은 수백~수천 개의 은하들이 중력에 의해 모인 구조를 말한다. 은하단 중심에는 타원은하가 대부분이지만 외곽으로 갈수록 나선은하의 수가 더 많아진다. NASA, ESA, CSA, STScI 제공

한국 연구자들이 주도한 국제공동연구팀이 슈퍼컴퓨터로 우주 시뮬레이션을 구현해 은하의 집합인 은하단 내 은하의 모양이 규칙적으로 변화하는 원인과 과정을 규명했다. 은하단의 규칙성이 처음 발견된 지 45년 만이다.

한국천문연구원은 홍성욱 우주진화연구센터 책임연구원과 박창범 고등과학원 교수가 주도하는 국제공동연구팀이 세계 최대 규모 우주 시뮬레이션인 '호라이즌 런 5(Horizon Run 5, HR5)'을 사용해 은하단 내 은하의 모양이 변화하는 규칙성의 원인과 과정을 규명했다고 31일 밝혔다. 연구결과는 지난해 12월 12일(현지시간) 국제학술지 '천체물리학 저널'에 공개됐다.

은하의 종류는 형태에 따라 나선팔이 보이는 원반 모양의 나선은하, 나선팔이 보이지 않는 타원은하, 나선은하와 타원은하의 중간 형태인 렌즈은하로 구분된다. 지구가 있는 우리은하는 나선은하다.

은하단은 수백~수천 개의 은하들이 중력에 의해 모인 구조를 말한다. 현재 은하단 중심부에는 타원은하나 렌즈은하가 주로 분포하고 은하단 외곽으로 갈수록 나선은하의 비율이 증가한다. 이런 규칙성은 1980년 미국 천문학자 앨런 드레슬러가 처음 발견해 보고했지만 그동안 원인과 메커니즘이 규명되지 않았다.

연구팀은 HR5를 활용해 160개의 은하단 내에 있는 은하 4500여 개의 형성 과정을 시뮬레이션했다. 실험 결과 100억년 은하단에는 대부분 나선은하만 존재했지만 은하단 중심부에서 은하들이 서로 충돌하면서 나선형에서 타원형으로 변하는 모습이 포착됐다.

연구팀이 수행한 시뮬레이션에서 시간에 따라 은하단 내 은하의 형태가 변화하는 모습. 100억년 전에는 은하단 내부분이 나선은하로 구성됐지만 중심부에서 은하들이 서로 충돌하며 타원은하의 비율이 커진다. 남아 있는 나선은하 중 일부는 렌즈은하로 바뀐다. 천문연 제공

충돌 초기에는 은하의 모양이 나선형으로 다시 돌아왔지만 반복적인 충돌과 병합 과정을 거치며 점차 타원형으로 고정됐다. 약 60억년 전 은하단 중심부에서는 타원은하의 비율이 나선은하보다 높아졌다. 타원은하로 변하지 못한 일부 나선은하는 새로운 별이 태어나는 활동이 감소하며 렌즈은하로 전환됐다.

HR5는 천문연, 고등과학원, 한국과학기술정보연구원(KISTI) 등 국내 연구팀이 주도하며 프랑스와 영국 연구진이 공동으로 참여하는 우주 시뮬레이션이다. HR5는 KISTI 슈퍼컴퓨터를 활용해 3조 광년 크기의 가상 우주를 구축하고 약 30만개 은하의 역사를 재구성할 수 있다. 1광년은 빛이 1년 동안 이동한 거리를 말한다.

이번 연구는 시뮬레이션을 활용해 은하단 내 은하의 모양에서 규칙성이 관측된 지 45년 만에 그 원인을 밝혀낸 성과다.

홍 책임연구원은 "은하단은 우주에서 안정화된 천체 중에서 가장 무거운 천체"라며 "수백에서 수천 개의 은하들이 중력으로 서로 묶여있기 때문에 은하단을 연구하면 최초의 천체가 언제 어떻게 생성되는지, 은하가 어떻게 서로 영향을 주고받으며 변화하는지 그리고 우주의 전체 구조를 이해할 수 있다"고 밝혔다.

향후 연구팀은 은하단뿐 아니라 우주의 다양한 환경에 존재하는 은하의 형태 규칙성과 그 원인을 밝혀나갈 계획이다.

<참고 자료>
- doi.org/10.3847/1538-4357/ad9276

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]

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