서울대학교

□ 연구진

• ▶서울대학교 (물리·천문학부 이형목 교수, 마츠모토 토시오 객원연구원, 서현종 박사과정)
• ▶한국천문연구원 (정웅섭 선임연구원, 표정현 박사 후 연구원)
• ▶일본 우주항공연구개발기구 우주과학연구소 (마츠모토 토시오 명예교수, 마츠하라 히데오 교수, 마츠우라 슈우지 조교수, 와다 타케히코 조교수, 오야부 신기 연구원(현재 나고야 대학 조교수))

본 연구는 국제 공동 연구로 수행되었다.

□ 내용 및 의의

적외선 우주망원경 「아카리」는 파장 1~4마이크로미터로 하늘 밝기를 관측해 기존 천체에서는 설명할 수 없는 큰 규모의 요동을 발견했다. 이것은 빅뱅으로부터 약 3억년 후에 탄생한 우주 최초의 별들에 의한 것이라고 여겨진다. 이 결과는 지금까지 거의 알려지지 않았던 우주 초기 별 생성의 역사를 규명하는데 중요한 공헌을 할 것이라 생각된다.

이 연구 결과는 11월 1일호 미국의 저명한 천문학 및 천체물리학분야의 학술지인 The Astrophysical Journal에 게재될 예정이다.

1. 연구 배경 및 현황

우주는 빅뱅에서 시작되어 팽창을 통해 현재의 모습이 되었다. 마이크로파 우주 배경복사로 직접 관측되는 빅뱅 40 만년 후의 우주는 비교적 균일하고 등방인 것으로 알려져 있다. 반면 현재의 우주는 별이나 은하 등 밀도가 높은 천체가 존재하는 영역과 거의 물질이 존재하지 않는 영역이 공존하여 균일하지 않다. 대형 지상 망원경 관측에 따르면 우주가 시작되고 수억 년 후에는 이미 은하가 존재하는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 그 이전의 우주에 대한 관측은 거의 없어 「우주역사의 암흑시대」라고 불린다. 최근 이론 연구에 따르면, 이 암흑시대 때 우주 최초의 별들이 생성되어 불균질한 우주로 진화하였다고 여겨진다. 그러나 이 별들은 너무 멀리 있고 어둡기 때문에, 각각의 별을 분해하여 관측하는 것은 아직까지는 불가능하다. 이에 마츠모토 토시오 교수(일본 우주과학연구소 명예교수 겸 서울대학교 객원연구원), 이형목 교수(서울대학교 물리·천문학부), 정웅섭 박사(한국천문연구원)을 중심으로 한 국제연구그룹은 최초의 별들로부터 기인하는 하늘의 배경밝기를 관측하기 위해 노력해 왔다.

2. 연구 내용 및 결과

이 그룹은 2006년에서 2007년까지 총 반년에 걸쳐 일본의 적외선 우주망원경 「아카리」^{주 1)}로 용자리 방향을 관측하였다. 파장 2.4, 3.2, 4.1 마이크로미터에서 얻은 영상으로부터 은하나 별 등 검출된 천체에 의한 빛을 없애고 남은(그림 1) 배경복사 성분에서 의미 있는 요동을 발견하였다(그림 2). 이 요동의 진폭은 예상보다 크고, 기존에 알려진 복사 성분(태양계 내의 티끌에 의한 황도광, 은하계 내의 별빛, 먼 은하의 빛 등)으로 설명할 수 없다. 요동의 패턴은 세 파장에서 거의 같으며, 관측된 적외선 스펙트럼은 매우 먼 곳에 있는 뜨겁고 푸른 별의 빛에 의한 것이라고 여겨진다. 따라서 관측된 요동은 우주 역사상 처음 만들어진 별들의 분포를 반영하는 것이라고 결론지을 수 있다. 관측된 요동의 크기는 100각초(1각초는 3600분의 1도)보다 큰데, 이는 현재 우주의 크기로 보았을 때 대규모 구조(은하가 많이 모여 있는 영역이나, 거의 은하가 없는 영역이 있는 비등방 구조)에 해당하는 크기이다. 이 규모는 우주 최초 별들이 암흑물질의 밀도가 높은 환경에서 형성되었다고 하는 우주론의 예측과도 일치한다. 이 사실은 우주 최초의 별들이 생성되었던 시기(우주가 시작되어 약 3억년 후로 예측)에 이미 대규모 구조가 존재하고 있었다는 것을 보여준다.

3. 연구 성과 및 향후 계획

이런 종류의 관측은 지금까지도 많이 시도되었지만, 관측 영역이 매우 좁고(예, 허블 우주 망원경^{주 2)}), 긴 파장 관측으로 한정되었기 때문에(예, 스피쳐 우주 망원경^{주 3)}), 명확한 결론을 얻기 어려웠다. 따라서 광시야 영상을 얻어 이로부터 큰 규모의 요동을 측정하고 우주 최초의 별들이 존재한다는 것을 관측적으로 확인한 것이다.
이번 관측 결과는 우주 암흑시대를 탐구하는데 있어 매우 중요하며, 우주 최초의 별들의 생성과 진화, 대규모 구조의 생성 등 연구에 큰 영향을 줄 것이다.

• 주 1)2006년에 발사된 일본 최초의 적외선 우주망원경. 유럽의 여러 대학과 한국의 서울대학교가 협력해 왔다. 올해 6월에 관측이 종료되었지만, 관측 종료까지 얻은 방대한 관측 자료의 해석이 계속되고 있다.
• 주 2)NASA가 1990년에 발사한 지름 2.4미터의 우주 망원경. 자외선, 가시광선, 근적외선으로 고해상도 관측 영상을 얻었다.
• 주 3)NASA가 2003년에 발사한 적외선 우주망원경. 지름 85 센티미터의 망원경을 탑재하였다.

그림 1) 자료 처리 단계. 파장 2.4 마이크로미터에 대한 경우를 예로 보여준다.

「아카리」가 한번 (약 44초간) 찍은 영상. 시야는 약 10각분. 보이는 천체의 대부분은 먼 은하이다.

자료의 잡음을 줄이기 위해 반년의 관측기간 동안 얻은 영상 40장을 합친 결과. 시야가 시간에 따라 회전하기 때문에 최종 영상의 지름은 10각분의 원이 된다.

별과 은하 등으로 분류된 천체를 모두 가리면 하늘의 요동이 보인다. 작은 크기의 요동은 무작위로 분포하며, 검출되지 않는 어두운 은하에 의한 것이다.

각 화소를 중심으로 직경 50각초의 둥근 영역을 평균함으로서 작은 크기의 요동을 없앤 영상. 큰 규모에서의 구조가 분명하게 보인다. 밝은 부분을 노랑이나 붉은색으로, 어두운 부분을 파란색으로 표시하였다.

그림 2) 「아카리」가 관측한 황북극(지구궤도면과 수직인 곳) 방향의 하늘밝기 요동의 영상. 왼쪽에서 오른쪽으로 파장 2.4, 3.2, 4.1 마이크로미터 영상. 밝은 부분은 노랑이나 붉은색으로, 어두운 부분은 파란색으로 표시하였다. 요동의 강함은 파장 2.4 마이크로미터에서 하늘 밝기의 약 2퍼센트이다. 원의 지름은 10각분으로, 배경복사의 기원을 우주 최초의 별들로 가정하여, 현재 우주의 크기로 변환하면 약 100만 광년에 해당한다. 그러나 당시 우주의 크기는 지금보다 10여배 작았으므로 당시의 거리로는 10만 광년 미만이다.

< 동영상 설명 >

• (1)process.wmv
  2관측된 영상에서 이미 알려져 있는 성분을 제거하고 최초의 별로부터 나온 성분을 추출하는 과정을 보여준다.
• (2)wmap_first.wmv
  WMAP 우주망원경이 측정한 배경 복사는 우주의 나이가 약 38만년이던 시기의 우주 모습이다. 이번에 측정한 적외선 영상은 WMAP에 보인 작은 영역이 약 3억년 간의 진화를 거쳐 만들어진 모습을 보여준다.

2011. 10. 21
연구처 연구지원과 / 기획처 홍보팀