현대 천체물리학에 따르면 태초의 우주는 엄청나게 작지만, 밀도가 크고 뜨거운 상태였는데 어느 순간 ‘쾅’(bang)하고 폭발하면서 현재와 같은 엄청나게 큰 우주가 됐다는 것이 ‘빅뱅 우주론’이 정설이다.

영국, 미국, 독일, 스페인, 호주, 이탈리아, 프랑스 7개국 21개 대학과 연구기관 과학자로 구성된 국제 공동 연구팀은 빅뱅 이후 7억 년 만에 원시 우주에서 은하계 안쪽에서 바깥으로(인사이드 아웃) 성장하는 은하를 제임스 웹 우주망원경(JWST)으로 관찰했다고 13일 밝혔다.

영국 케임브리지대 우주학 연구소, 캐번디시 연구소, 런던대(UCL), 옥스퍼드대, 하트퍼드셔대, 미국 하버드-스미스소니언 천체물리학 연구센터, 콜로라도 볼더대, 캘리포니아 산타크루즈대(UCSC), 스탠퍼드대 입자 천체물리학 및 우주학 연구소, 애리조나대, 텍사스 오스틴대, 존스홉킨스대, 우주 망원경 과학 연구소, 위스콘신 메디슨대, 국립 광적외선 천문학 연구소, 독일 유럽 남방 천문대(ESO), 막스 플랑크 천문학 연구소, 스페인 천체생물학 연구센터(CAB), 호주 멜버른대, 전(全)우주 3차원 천체물리 연구센터(ASTRO 3D), 이탈리아 피사 고등사범학교, 프랑스 소르본대 천문학자와 물리학자 등이 참여했다. 이 연구 결과는 천문학 분야 국제 학술지 ‘네이처 천문학’ 10월 11일 자에 실렸다.

현재 관측되는 은하는 가스를 비롯한 우주 물질을 끌어들이거나, 더 작은 은하와 통합하면서 성장하는 2가지 메커니즘으로 성장하는 것으로 알려졌다. 그런데 초기 우주에서도 이런 방법으로 은하가 확장됐는지에 대해서는 명확한 설명을 내놓지 못하고 있다. JWST는 이런 초기 우주의 성장 과정을 밝혀내기 위한 임무도 수행하고 있다.

이번에 관측한 은하는 우리은하보다 100배나 작은 크기지만 초기 우주에서는 놀랍도록 성숙한 상태였다. 마치 큰 도시처럼 은하 중심에는 별(항성)이 밀집해 있지만 외부로 갈수록 밀도가 낮아지는 것이 확인됐다. 도시가 안에서 바깥으로 확장해 나가는 것처럼 이 은하 역시 안쪽에서 바깥쪽으로 뻗어나고 있음이 관찰됐다.

연구팀은 가스 방출, 우주먼지 흡수를 포함한 성장 모델링을 사용한 결과, 은하 중심에서 가장 오래된 별을 발견할 수 있었으며 주변 원반 구성 요소에서 매우 활발하게 별이 형성되고 있음을 확인했다. 이번 은하 주변에는 대략 1000만 년마다 별의 질량이 두 배씩 늘어나는 것으로 나타났다. 우리은하의 경우는 1000억 년마다 질량이 두 배로 증가하는 것과 비교한다면 매우 빠른 속도다.

연구팀에 따르면 이번에 관측된 은하는 안쪽에서 바깥쪽으로 확장, 성장하는 은하의 보기 드문 사례다. 이와 유사한 은하를 연구함으로써 가스 구름에서 오늘날 우리가 흔히 볼 수 있는 복잡한 구조의 은하로 어떻게 변화됐는지를 이해할 수 있을 것으로 기대한다.

연구를 이끈 샌드로 타첼라 영국 케임브리지대 교수(천체물리학)는 “은하가 우주적 시간 동안 어떻게 진화해왔는지는 천체물리학에서 매우 중요한 질문”이라며 “JWST 덕분에 우주 역사 초기 첫 10억 년을 탐구할 수 있게 됐다”고 말했다. 타첼라 교수는 “은하가 성장하고 별의 형성이 증가함에 따라 피겨 스케이팅 선수가 팔을 모으면서 회전속도를 높이는 것처럼 은하도 비슷한 방식으로 더 멀리서 가스를 끌어들이며 회전 속도가 증가해 나선형 또는 디스크 모양을 형성하는 것”이라고 덧붙였다.