허블 100배 시야로 찾고자 하는 모순된 은하(별 없는 은하 142개, 암흑물질 없는 은하 DF9)

로만 망원경이 성공적으로 발사되었다. 잠시 뒤 관련 기사 검색중 ‘다크매터’라는 키워드가 떠 있길래 별생각 없이 눌러봤다. 그런데 그 밑에 걸린 뉴스 두 개가 서로 정반대 방향을 가리키고 있었다. 하나는 “별이 하나도 없는 은하 후보 142개 발견”, 다른 하나는 “나사, 허블보다 시야 100배 넓은 우주망원경 발사”. 별이 없는데 그걸 은하라고 부를 수 있나 싶어서 원문을 열었다가, 거기서 세 번째 은하 이야기를 만났다. 이번엔 반대로 별은 멀쩡히 있는데 암흑물질이 거의 없는 은하였다.

한쪽엔 별 없는 은하, 다른 쪽엔 암흑물질 없는 은하. 그리고 같은 8월 30일, 이 모순을 정면으로 파고들겠다는 망원경 하나가 발사됬다는 것이 기사의 내용이었다. 세 가지가 같은 시기에 몰려 있는 게 우연치고는 묘해서 좀 더 파봤다.

발사 자체는 순조로웠다

8월 30일 오전(미국 동부시각 7시 26분), 낸시 그레이스 로먼 우주망원경이 스페이스X 팰컨 헤비 로켓에 실려 케네디우주센터 39A 발사대에서 올라갔다. 목적지는 태양-지구 라그랑주 2점(L2), 지구에서 약 150만km 떨어진 지점이다. 발사 후 7분 만에 첫 원격측정 신호가 잡혔고, 31분째에 로켓 본체에서 분리됐다고 한다. 1시간 23분 뒤엔 태양전지판과 하부 차광막 전개까지 확인됐다고 NASA 공식 발표는 전한다.

L2까지 가는 데는 3개월이 걸린다. 제임스웹 우주망원경도 같은 L2 부근에 있지만 두 망원경은 서로 다른 궤도를 그리며 돈다. 도착 후 90일 정도 장비를 조정하는 커미셔닝 기간을 거쳐 2027년 초부터 첫 이미지를 공개할 예정이라고 행성학회(The Planetary Society) 설명에 나온다. 초기 임무 기간은 5년, 상태가 좋으면 그 두 배 넘게 연장될 수 있다는 이야기도 나온다. NASA 국장 재러드 아이잭먼은 이 발사를 두고 “예정보다 이르게, 예산 안에서 해낸 성공 사례"라고 표현했다는데, 실제로 이 망원경은 원래 계획보다 조기 완성돼 발사 일정이 앞당겨졌다고 한다.

거울은 허블과 똑같은데, 왜 시야는 100배 넓을까

여기서 처음 걸렸던 그 문장으로 돌아가 보자. 로먼의 주경 지름은 2.4미터로, 허블과 정확히 같다. 그런데 로먼이 한 번에 찍는 사진 한 장은 허블 사진 100장을 이어붙인 것과 맞먹는 하늘 면적을 담는다. 거울 크기가 같으면 화각도 비슷해야 하는 거 아닌가 싶어서 좀 찾아봤더니, 답은 거울이 아니라 그 뒤에 붙은 카메라, 즉 와이드필드 기기(WFI)에 있었다.

카메라에 비유하면 이해가 쉬웠다. 같은 렌즈라도 뒤에 붙은 필름이나 센서가 크면 클수록 한 번에 담기는 화각이 넓어진다. 로먼의 WFI는 3억 화소(300메가픽셀)짜리 적외선 카메라인데, 소금 크래커 한 장 크기의 4K 검출기 18개로 이루어져 있다고 NASA는 설명한다. 거울이 모은 빛을 이 넓은 센서 배열이 동시에 받아 적기 때문에, 같은 거울로도 훨씬 넓은 하늘을 한 번에 기록할 수 있는 거다. 대신 픽셀 하나가 담당하는 하늘의 면적이 넓어지는 만큼, 아주 미세한 디테일을 잡는 정밀도 면에서는 웹이나 허블의 좁은 시야 촬영을 대체하지 못한다. 여기에 더해 로먼은 기계적으로도 안정적이어서 촬영 사이 대기 시간이 거의 필요 없다고 하는데, 이 덕분에 하늘을 훑는 속도 자체가 허블보다 1000배 빠르다는 설명도 있었다.

넓고 빠르게 훑는 로먼과, 좁고 깊게 파고드는 웹. 이 둘이 경쟁 관계가 아니라 역할을 나눠 가진 상보적 관계라는 게, NASA 산하 SVS 자료에서 짚은 설명과도 통한다. 웹이 초기 우주를 깊이 들여다보는 역할이라면, 로먼은 그 우주가 지금까지 어떻게 진화해왔는지를 넓은 시야로 지도처럼 그리는 역할을 맡는다는 것이다.

로먼이라는 이름의 무게

이 망원경 이름은 낸시 그레이스 로먼이라는 실존 인물에서 왔다. 1959년부터 1979년까지 NASA에서 일했고, NASA 최초의 수석천문학자이자 최초의 여성 임원이었다. 허블 우주망원경 프로젝트를 초창기부터 이끈 인물이라 “허블의 어머니"라는 별칭으로도 불린다. 원래 이 망원경은 WFIRST(광시야 적외선 서베이 망원경)라는 딱딱한 약어로 불리다가, 발사를 앞두고 그의 이름을 따서 개명됐다.

개인적으로 이 부분이 이번 발사 소식에서 가장 마음에 남았다. 보통 우주 망원경 이름은 관측 자체로 유명한 물리학자나 천문학자의 이름을 붙이는 경우가 많은데, 로먼은 관측보다 프로젝트를 조직하고 이끈 관리자로서의 공로가 더 컸던 인물이다. 넓게 훑어보며 다음 세대 관측의 지도를 그리는 이 망원경에 그의 이름이 붙은 게, 우연치고는 묘하게 잘 어울린다.

우주의 95%는 우리 눈에 안 보인다

로먼의 핵심 임무 중 하나가 암흑에너지와 암흑물질의 정체를 밝히는 일인데, 이게 왜 그렇게 중요한 질문인지부터 짚어볼 필요가 있다.

일반적인 은하 형성 이론을 단순화하면 이렇다. 암흑물질이 중력으로 뭉쳐서 일종의 ‘틀’을 만들고, 그 중력에 가스가 끌려와 모이고, 그 가스가 다시 뭉쳐 별이 만들어진다. 암흑물질 → 가스 → 별, 이 순서가 표준적인 그림이다. 암흑물질은 빛과 상호작용하지 않아서 직접 볼 수는 없다. 그런데도 존재를 확신하는 이유는 은하 속 별들의 운동 속도 때문이다. 눈에 보이는 별과 가스의 질량만으로 계산하면 설명되지 않는 수준의 중력이 은하 안에서 반복적으로 관측됐고, 이 ‘보이지 않는 나머지 질량’을 편의상 암흑물질이라 부르는 것이다.

표준 우주론 모형에 따르면 우주는 암흑에너지 68.3%, 암흑물질 26.8%, 우리가 아는 일반 물질 4.9%로 구성돼 있다고 본다. 별, 행성, 사람, 지구—우리 눈에 보이는 이 모든 게 우주 전체 질량-에너지의 5%도 안 된다는 뜻이다.

별은 없는데 암흑물질만 있는 은하

그런데 이 틀에 딱 맞지 않는 은하들이 최근 잇따라 보고되고 있다. 먼저 ‘별 없는 은하’ 쪽. 서울대 연구 발표 자료에 따르면 황호성 교수 연구팀은 미국 국립전파천문대(NRAO)의 윤일상·브라이언 켄트 박사와 함께 별 없이 암흑물질과 가스만으로 이루어진 것으로 추정되는 ‘암흑 은하(dark galaxy)’ 후보를 142개나 새로 발견했다. 아레시보 전파망원경 탐사(ALFALFA)와 DESI 레거시 영상 탐사 자료를 활용해 가스의 운동을 추적하는 방식이었다고 한다. 기존에 전 세계적으로 알려진 후보가 10개 안팎에 불과했던 걸 감안하면, 후보 수를 단숨에 10배 넘게 늘린 셈이다. 이 성과는 국제학술지 천체물리학저널 보충 시리즈에 실렸다.

이 발견이 왜 중요한가 하면, ‘잃어버린 딸린 은하 문제(missing satellite problem)‘라는 오래된 난제와 맞닿아 있어서다. 표준 우주론 모형은 큰 은하 주변에 훨씬 많은 수의 작은 위성은하가 있어야 한다고 예측하는데, 실제 관측된 수는 그보다 한참 적었다. 별이 없어서 지금까지 눈에 안 띄었던 암흑 은하들이 그 빈자리를 메워줄 후보라는 것이다.

풀어 말하면 이렇다. 암흑물질이 중력의 틀을 만들고 가스도 그 안에 모이긴 했는데, 그 가스가 별을 만들 만큼 충분히 뭉치지 못한 채 멈춰버린 상태다. 표준 시나리오의 앞 두 단계(암흑물질→가스)까지는 진행됐는데, 마지막 단계(가스→별)에서 멈춘 사례라고 볼 수 있다. 서울대 연구팀도 “이론적으로 예측되는 암흑 은하의 수에는 아직 못 미친다"며 후속 탐색이 더 필요하다는 입장이었다.

반대로 암흑물질이 거의 없는 은하

이 뉴스와 정반대 방향의 발견도 있다. 예일대 뉴스룸 보도에 따르면 예일대 연구팀이 발표한 왜소은하 ‘NGC 1052-DF9’는 별과 가스는 있는데 암흑물질이 거의 없는 것으로 나타났다. 이런 유형으로는 세 번째로 확인된 사례로, 앞서 발견된 DF2, DF4에 이은 것이다. 세 은하 모두 지구에서 약 6,700만 광년 떨어진 NGC 1052 은하군 근처에 있고, 다른 은하 아홉 개와 함께 마치 일직선으로 늘어선 듯한 흔적을 이룬다.

연구를 이끈 마이클 케임 예일대 박사과정 연구원은 원래 초거대질량 블랙홀로 오인됐던 이 천체를 다시 살펴보자고 제안했고, 하와이 켁 천문대의 코스믹 웹 이미저(CWI)라는 장비로 정밀 관측을 진행했다. 별들의 운동 속도를 측정해 은하 전체 질량을 역산한 결과, DF9의 질량은 태양 1억 개 정도—눈에 보이는 별과 가스만으로 설명 가능한 수준이었다. 만약 이 은하가 평범한 은하처럼 암흑물질을 갖고 있었다면 질량이 태양 100억 개를 넘어야 했다고 한다. 100배 넘게 차이 나는 셈이다.

케임 연구원은 “우주에 존재하는 거의 모든 은하는 암흑물질이 질량 대부분을 차지한다"며 “DF2·DF4·DF9는 굉장히 예외적인 은하"라고 밝혔다. 연구팀이 제시한 시나리오는 이렇다. 과거 두 은하가 빠른 속도로 충돌하면서 일반물질(가스)과 암흑물질이 서로 분리됐고, 떨어져 나간 가스만 따로 뭉쳐서 이런 특이한 은하들이 만들어졌을 수 있다는 것이다. 세 은하가 같은 일직선 궤적 위에 나란히 놓여 있다는 사실 자체가 이 충돌 가설에 힘을 싣는다.

두 발견을 나란히 놓으면

이 두 발견을 붙여서 보면 흥미로운 그림이 나온다. 한쪽엔 암흑물질은 있는데 별을 못 만든 은하. 다른 쪽엔 별은 있는데 암흑물질이 빠져나간 은하. 은하 형성이라는 하나의 과정에서, 암흑물질과 별이라는 두 요소가 서로 완전히 결합되지 않고도 각자 따로 존재할 수 있다는 걸 보여주는 사례들이다.

이게 왜 중요한가. 은하 형성 이론이 “암흑물질과 별은 항상 세트로 묶여 있다"는 전제 위에 서 있었다면, 이런 예외 사례들은 그 전제 자체를 재검토하게 만든다. 표준 모형이 통째로 틀렸다는 뜻은 아니다. 다만 암흑물질과 일반물질이 특정 조건(재이온화 시기의 가스 정체, 은하 간 고속 충돌 등)에서는 분리될 수 있다는 걸 실제 관측으로 확인한 것에 가깝다. 다만 이런 예외 사례가 얼마나 흔한지, 우연히 걸린 몇 개에 불과한 건지 아니면 생각보다 훨씬 보편적인 현상인지는 아직 확실치 않은 것 같다.

지금까지 나온 이런 예외 사례들은 대부분 좁은 시야로 우연히 걸려든 발견이었다. 서울대 팀의 암흑 은하 142개는 전파망원경 탐사 자료를 뒤지다 걸린 것이고, DF2·DF4·DF9도 특정 은하군 하나를 정밀 추적하다 발견된 것이다. 표본 자체가 우연에 크게 기대고 있다 보니, “이런 은하가 정말 드문가, 아니면 우리가 못 찾아서 드물어 보이는가"라는 질문에는 아직 아무도 확실히 답할 수 없다. 바로 이 지점이 시야 100배 넓은 로먼이 끼어들 자리다.

로먼이 이 모순 속으로 들어가는 지점

로먼의 주요 임무 중 하나가 정확히 암흑에너지의 정체를 밝히는 것이다. 수십억 개의 은하를 관측해 우주의 대규모 구조가 시간에 따라 어떻게 진화해왔는지 지도를 그리고, 이를 통해 암흑에너지의 특성을 제약하겠다는 계획이다. 우주망원경과학연구소의 크리스틴 맥퀸 로먼 임무 사무소장은 발사 전 “우리가 이해하는 물리학에서 근본적으로 빠진 무언가가 있을 수 있으며, 로먼 망원경이 이를 밝혀낼 잠재력이 있다"고 말했다고 한다.

넓은 시야는 앞서 본 것 같은 예외 은하를 찾는 데도 유리하게 작용할 것으로 보인다. 지금까지의 발견이 좁은 시야로 우연히 걸린 사례에 가까웠다면, 로먼처럼 넓은 시야로 훨씬 많은 은하를 한 번에 통계적으로 훑을 수 있게 되면 이야기가 달라진다. 별 없는 암흑 은하나 암흑물질 없는 은하가 정말 드문 우연인지, 아니면 은하 형성 과정에 원래부터 내재된 흔한 갈래인지가 훨씬 더 명확한 숫자로 드러날 가능성이 있지 않을까 싶다. 개별 발견 하나하나의 극적인 서사보다, 수천수만 개 데이터가 쌓이면서 만들어질 은하 형성 지도 쪽에 더 가까운 성과가 나올 거라는 뜻인데, 이런 유형의 성과는 뉴스 헤드라인으로 뽑히기엔 오히려 좀 심심할 수도 있겠다.

외계행성 쪽 숫자도 눈에 띄었다. 지난 수십 년간 인류가 확인한 외계행성은 약 6,000개 정도인데, 로먼 하나가 미세중력렌즈 방식으로 이보다 훨씬 많은 10만 개 안팎을 찾아낼 수 있을 거라는 전망이 나온다. 이 수치는 어디까지나 사전 전망치라, 실제 검증은 2027년 초 이후에나 가능하다. 로먼에는 코로나그래프 계기도 실려 있는데, 별빛을 가려 그 옆의 행성을 직접 촬영하는 기술로, 훗날 지구형 행성을 직접 촬영하겠다는 ‘거주가능세계관측소(Habitable Worlds Observatory)’ 구상의 기술 시연 역할도 맡는다고 한다.

아직 열려 있는 질문

솔직히 이 글을 정리하면서도 다 이해했다는 확신은 들지 않는다. 암흑물질이라는 게 애초에 직접 관측된 적이 없고, 중력 효과로 그 존재를 추론하는 개념이다 보니, “암흑물질이 없는 은하"라는 표현 자체도 결국 “중력 이상 현상이 관측되지 않는 은하"를 다르게 부르는 것에 가깝다. 어쩌면 우리가 암흑물질이라고 부르는 것의 정체를 아직 제대로 모르고 있어서, 이런 예외처럼 보이는 사례들이 실은 이론의 빈틈을 메워줄 단서일 수도 있겠다는 생각이 든다.

지금 시점에서 확실한 건 발사가 성공적으로 이뤄졌다는 것뿐이다. 앞으로 90일의 조정 기간을 무사히 통과하고 2027년 초부터 실제 서베이를 시작해야, 이 망원경이 정말 암흑에너지와 암흑물질의 정체를 밝히는 데 기여할지 알 수 있다. 이런 대형 미션은 첫 사진 한 장보다 몇 년에 걸친 서베이 데이터가 쌓여야 진짜 성과가 나오는 경우가 많다. 별 없는 은하 142개와 암흑물질 없는 은하 3개가 통계로 뒷받침될 만큼 흔한 현상인지, 아니면 우연히 걸린 특이 사례로 남을지—이 조각들이 좀 더 맞춰지는 걸 지켜보려면 아무래도 꽤 오래 기다려야 할 것 같다.