작성 : 정서영 수정 : 정서영

문자가 없던 선사시대 인류의 모습을 동굴 벽화를 통해 알아가는 것처럼 우리 우주에도 우주의 옛 모습을 알 수 있게 해주는 그림이 있다. 다만 크로마뇽인의 동굴 벽화와 다른 점이 있다면 이 그림은 적어도 허블 우주망원경 급의 최첨단 관측 장비가 있어야만 볼 수 있다는 것이다. 밤하늘의 어두운 부분 중에서도 가장 어두운 곳에 그려진 이 그림들을 만나보자.

그림1 [출처] NASA, ESA, Robert Williams and the Hubble Deep Field Team (STScI)

1995년 12월, 허블 우주 망원경은 항성도 은하도 없는 듯 보이는 북두칠성 근방의 검은 하늘을 10일에 거쳐 촬영하였다. 그 결과 70억 년 전의 밝은 은하부터 120억 년 전의 것으로 보이는 희미한 점 하나까지, 이 보름달 지름의 30분의 1 정도 밖에 안 되는 좁은 영역에만 적어도 2000개 이상의 은하가 발견되었다. 사진 속에서 밝게 빛나는 은하들의 개수, 모양, 색은 초기 은하들의 밀집 정도, 형성 당시의 우주 환경, 은하를 구성하는 항성의 특징을 알아 낼 수 있는 단서가 된다. 또 이 아름다운 사진에서 우리가 주목해야 할 부분은 그 은하들 사이의 얼룩덜룩한 부분이다. 그것은 아주 멀리 있는 은하들이 자신의 존재를 알리기 위해 미약하게나마 보내는 일종의 신호이며 이 신호들이 없었더라면 수많은 후속 연구들이 진행되지 않았을 것이다. 이로써 천문학자들은 본격적으로 하늘의 어두운 부분에 숨겨져 있던 우주의 그림을 찾아 나섰다.

그림2 [출처] NASA/ESA,R. Williams (STScI), the HDF-S Team

허블 딥 필드 사진이 천문학계에 미친 영향은 엄청났지만 워낙 좁은 영역을 찍은 사진이기 때문에 다음과 같은 의문을 가질 수 있다. ‘사진 속에 수많은 은하들이 등장한 것이 그저 우연히 은하가 몰려있는 지역이었기 때문이었다면?’ 그래서 1998년 9월, 천문학자들의 망원경은 남쪽 하늘로 향했다. 만일 이번에도 비슷한 사진을 얻는다면 우주 전체에 은하들의 분포가 특별한 방향성 없이1) 균일하다2)는 빅뱅 우주론의 기본 원리 (Cosmological Principle)와 정확하게 부합한다. 반대로 은하가 거의 발견되지 않거나 너무 많이 발견되면 그때껏 과학자들이 주장하던 우주론이 잘못된 길을 걸어왔다는 의미이다. 다행히 남반구 큰부리새자리 근처의 어두운 하늘을 허블 딥 필드와 동일한 촬영 시간, 동일한 크기의 영역에 대해 촬영 한 결과는 성공적이었다.

그림 3 [출처] NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)

북쪽과 남쪽의 딥 필드를 통해 우리가 생각하는 우주론이 올바른 방향으로 나아가고 있다는 것이 어느 정도 확실해지자, 천문학자은 아주 멀리 있는 은하를 찾기 위해 더 깊고 더 어두운 우주로 향했다. 허블 울트라 딥 필드는 화로자리 근처에 보름달 직경 10분의 1 정도 크기의 영역을 촬영한 사진이다. 2004년 가시광선 촬영을 시작으로 2009년에는 촬영이 적외선 파장대로 확장되었고, 2012년에는 추가 관측 결과를 통해 그때까지 발견된 은하들 중 가장 멀리 떨어진 은하 7개를 발견해낸다. 가장 최근인 2014년 6월에는 가시광선, 근적외선에 자외선 관측 결과까지 더한 이미지를 공개하기도 했다. 적외선 관측 결과는 아주 멀리 떨어져 있어서 적색편이의 영향으로 붉어지다 못해 적외선 영역으로 넘어간 은하들을 보여주며, 자외선은 주로 갓 태어난 뜨거운 별들에서 방출되기 때문에 이 데이터를 통해 초기은하의 형성에 대해 연구할 수 있다. 지금도 천문학자들은 100m 달리기 기록 단축에 도전하는 육상 선수들처럼 가장 어두운 우주에 대한 기록을 경신하고 있다.

딥 필드 관측은 허블 망원경이 이룬 성과 중에서도 최고로 여겨진다. 우리는 지금 인류가 하늘을 보기 시작한 이후로 가장 오래된 우주의 모습을 보고 있으며, 앞으로도 우리가 볼 수 있는 우주의 경계는 계속해서 넓혀질 것이다. 이와 함께 우리가 허블 딥 필드 프로젝트에서 주목해야 할 성과는 이 이후 달라진 천문학자들의 모습에 있다.3) HDF를 촬영한 연구팀은 모든 연구자들이 자유롭게 열람하고 사용할 수 있도록 HDF 관측 데이터를 공개했다. 이때까지는 학자들 간에 중요한 연구 결과와 관측 데이터들을 지적 재산권의 이름으로 공개하지 않는 것이 당연한 것이었는데, 연구팀의 획기적인 행동은 학계 전체를 변화시켰다. 많은 연구자들이 HDF 결과를 인용해서 후속 연구를 이루어냈고, 천문대들은 HDF 영역을 관측한 다른 종류의 데이터들을 서로 공유했다. 오늘날 천문학자들은 믿음과 협력으로 우주의 비밀을 함께 풀어나가고 있다.

• 1) 등방성(isotropy) : 우주의 어느 방향을 보아도 비슷한 모습이 보인다.
• 2) 균질성(homogeneity) : 우주의 어느 지점에서 보아도 비슷한 모습이 보인다.
• 3) Jeff Kanipe, 『허블의 그림자』, 지호 출판사 p34-35