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앞쪽 은하의 중력으로 인해 먼 곳의 광원에서 나온 빛이 고리 모양으로 왜곡될 때 발생

놀라운 아인슈타인 고리 발견
유클리드 우주선, 비정상적으로 가깝고 강력한 중력렌즈에서 빛의 고리 발견

우주의 희귀성:
천문학자들은 우주에서 비정상적으로 밝고 선명하게 보이는 아인슈타인 고리를 발견했다. 이러한 현상은 앞쪽 은하의 중력으로 인해 먼 곳의 광원에서 나온 빛이 고리 모양으로 왜곡될 때 발생한다. 이 경우 특이한 점은 렌즈 은하는 '겨우' 약 5억 9천만 광년 떨어져 있다는 것이다. 연구팀은 천문학 및 천체물리학에 이 천체가 가까운 거리에 있고 아인슈타인 링의 밝기가 높아서 흔치 않은 발견이라고 보고했다. 

▲ 5억 9천만 광년 떨어진 은하계 NGC 6505의 중심 주변에서 밝은 아인슈타인 고리를 볼 수 있다. 먼 방사선원에서 나온 빛이 은하계의 중력에 의해 고리 모양으로 왜곡된 것이다. © ESA/Euclid/ Euclid Consortium/NASA, Tian Li의 이미지 처리

빛조차도 중력에서 벗어날 수 없다. 공간에 있는 거대한 물체는 시공간을 구부리고 그로 인해 복사선을 휘게 한다. 이러한 효과는 이미 알베르트 아인슈타인이 그의 일반 상대성 이론에서 설명했다. 이러한 효과는 강력한 중력 렌즈의 경우 특히 놀랍다. 거대한 전면 은하가 먼 광원의 빛을 왜곡한다. 드물지만 이 왜곡된 빛이 아인슈타인 고리라고 불리는 빛나는 고리를 형성한다.

하지만 이 빛의 고리는 멋진 광경일 뿐만 아니라 과학에도 도움이 된다. "강력한 중력 렌즈는 '우주 망원경'으로 사용되어 일반 상대성 이론을 시험하고 암흑 물질의 특성을 탐구할 수 있다"고 가르싱(Garching)에 있는 막스 플랑크 천체물리학 연구소의 코너 오리어던과 그의 동료들이 설명했다. 특히 귀중한 것은 비교적 가까이에 있는 강력한 중력 렌즈다. 그러나 이런 현상은 매우 드물다.

흐릿한 테스트 샷에서의 발견

이제 상황이 바뀌었다. 유클리드 우주 망원경이 비교적 가까운 은하계에서 여섯 번째, 특히 잘 정의된 아인슈타인 링을 발견했다. 이 천문대는 실제로 우주의 '어두운 면', 즉 암흑 물질과 암흑 에너지를 연구하기 위해 만들어졌다. 하지만 유클리드가 하늘 조사를 시작하기 전, 2023년 가을에 시험 단계를 거쳐 계측기를 교정하고 테스트했다. 이러한 시험을 위해 망원경은 몇 장의 흐릿한 이미지를 지구로 전송했다.

▲ 아인슈타인 링은 거대한 전면 은하가 먼 광원 앞에 직선으로 위치하여 빛을 고리 모양으로 왜곡할 때 형성된다. © ESA

이러한 사진 중 하나에서 ESA 분석팀의 브루노 알티에리는 아인슈타인의 고리와 비슷한 흐릿한 빛 고리를 발견했다. 알티에리는 "첫 번째 관찰을 통해 제가 보기에는 그렇게 보였다"고 보고했다. 망원경이 문제의 천체에 대한 더욱 선명한 이미지를 전송한 후에야 이것이 확인되었다. 천문학자는 "그러자 우리는 완벽한 아인슈타인 고리를 볼 수 있었다"고 말했다. 그의 명예를 기리기 위해 이 아인슈타인 반지는 "알티에리의 렌즈"라는 이름이 붙었다.

희귀한 밝기와 선명도를 지닌 가벼운 고리

새롭게 발견된 아인슈타인 링은 지구에서 "겨우" 약 5억 9천만 광년 떨어진 은하 NGC 6505에 의해 만들어졌다. 이 사실은 꽤 오랫동안 알려지고 지도화되어 왔지만, 강력한 중력렌즈 효과와 이로 인한 아인슈타인 링은 이제야 유클리드 탐사선의 광학을 통해 밝혀졌다. 천문학자들은 "이 중력 렌즈는 원래 천체의 적색편이가 작기 때문에 특별하다"며 "지금까지 그러한 시스템은 5개만 알려져 있었다"고 설명했다.

새롭게 발견된 아인슈타인 고리는 놀라운 밝기와 독특한 특징 때문에 희귀한 존재이기도 하다. 앞쪽에 있는 은하는 약 44억 2천만 광년 떨어진 배경 은하의 빛을 왜곡시켜 매우 밝고 거의 완벽한 고리 모양을 만든다. "시뮬레이션에 따르면 이 천체의 발견은 극히 가능성이 낮았다. 이렇게 크고 적색편이가 낮은 은하가 이렇게 밝은 광원을 렌즈로 포착할 확률은 2000분의 1에 불과하다"고 오리어던과 그의 팀은 이렇게 썼다.

▲ 전경 은하의 빛을 뺀 후의 아인슈타인 링의 밝기. © O’Riordan et al./ Astronomy & Astrophysics, CC-by 4.0

암흑 물질 매핑에 관련됨

이렇게 밝고 가까운 아인슈타인 고리는 주로 천문학자들이 전경 은하에 있는 암흑 물질의 비율을 비교적 정확하게 결정할 수 있게 해주기 때문에 유용하다. O'Riordan은 "이러한 유형의 물체는 렌즈 은하의 암흑 물질 하부 구조를 연구하는 데 매우 유용하다"고 말했다. 초기 계산에 따르면, 암흑 물질은 아인슈타인 고리로 둘러싸인 은하계 영역의 총 질량의 약 11.1%를 차지한다.

하지만 천문학자들이 강조하듯이 이번 발견이 아무리 놀랍더라도 이것은 시작일 뿐이다. 그들의 추정에 따르면, 유클리드 탐사선은 임무 수행 중에 수천 개 이상의 강력한 중력 렌즈를 발견할 수 있었다. O'Riordan은 "Euclid는 우리가 전에 본 적이 없는 데이터로 이 분야에 혁명을 일으킬 것이다"고 말했다. 아인슈타인 링이 임무 초기에 발견되었다는 것은 유클리드가 앞으로 훨씬 더 많은 미스터리를 밝혀낼 수 있다는 것을 의미한다.
(Astronomy & Astrophysics, 2025; doi: 10.1051/0004-6361/202453014)
출처: European Space Agency (ESA), Max-Planck-Institut für Astrophysik

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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