밝은 호

밝은 호는 일부 은하단에서 발견되는 호(arc) 모양으로 보이는 구조로서, 멀리 있는 천체가 중력렌즈되어 길게 변형되어 나타난 것이다. 은하같이 어느 정도 크기가 있는 광원이 중력렌즈 작용을 하는 천체와 일직선에 놓이면 아인슈타인고리가 생기고, 약간 어긋나면 호 모양으로 상이 만들어진다. 지금까지 발견된 밝은 호는 대부분 멀리 있는 은하가 전방의 은하단에 의해 중력렌즈된 호이다(그림 1).

그림 1: 부유은하단 A370을 허블우주망원경으로 촬영한 사진. A0, B2, B3 등 많은 밝은 호가 보인다.(출처 , 수정 : 박명구 )

목차

아벨은하단(Abell cluster) A2218과 A380, 은하단 Cl2244-02에 푸른 호 모양의 구조가 보인다는 것은 1970년대 비디오카메라를 이용한 관측에서 알려졌다. 하지만 이런 모양의 알려진 천체가 없고 관측 자료도 명확하지 않아서 주목받지 못했다. 그러다 1980년대 아주 어두운 천체도 촬영할 수 있는 고감도 전하결합소자(CCD)가 보급 되면서 마침내 1985년 적색이동이 0.37로 지구에서 약 40억 광년 떨어진 부유은하단(rich cluster) A380과 적색이동 0.33인 은하단 Cl 2244-02에서 밝은호(그림 2에 화살표로 표시)의 뚜렷한 영상을 얻을 수 있었고, 이듬해 밝은 호란 이름으로 학계에 알려졌다. 은하단 내 일반적인 은하와 전혀 다르게 생긴 이 호의 흥미로운 특징 하나는 주변 은하 들에 비해 푸른색을 띠고 있다는 것이었다. 이 호의 각길이는 대략 21" 정도인데 길이로 환산하면 무려 30만광년에 해당되었다.

그림 2: 1985년 촬영된 은하단 A380의 사진. 아래쪽 밝은 은하 근처에 일반 은하와는 다르게 보이는 긴 호(화살표)가 보인다.(출처 : , 수정 : 박명구 )

정체를 알 수 없는 이 호에 대해 여러 설명들이 제시되었다. 은하단 내 기체들이 냉각되면서 생긴 별 탄생, 충격파에 의한 구조, 빛 메아리(light echo) 등의 모형들이 제시되었다. 이러한 대부분의 모형들은 발견된 호가 실제 이 은하단과 같은 거리에 있는 구조이거나 현상이라는 가정에 토대를 두고 있었다. 그러나 프린스턴(Princeton) 대학교의 파친스키(Bohdan Paczynski)는 어린 아들에게 이 신기한 현상에 대해 설명하던 중 호의 푸른색과 낮은 표면밝기 같은 특성들은 멀리 있는 어두운 은하가 은하단 A370의 중력에 의해 중력렌즈 되었을 때 가장 잘 설명된다는 결론에 이르게 되었다. 중력렌즈 모형을 입증하기 위해서는 호를 분광관측해서 그 적색이동 값이 은하단의 적색이동보다 더 크다는 사실, 즉 호가 은하단 보다 더 멀리 있음을 증명해야 했는데 호의 표면밝기가 매우 어두워서 분광관측이 어려웠다. 1988년 마침내 유럽남부천문대(ESO)의 3.6m 망원경으로 이 호의 몇몇 위치에서 스펙트럼을 성공적으로 얻을 수 있었고 관측된 스펙트럼은 적색이동 값이 0.724인 나선은하의 스펙트럼에 해당하는 것으로 확인되었다. 또한 호의 빛들은 편광이 되어 있지 않아서 빛 메아리 모형처럼 반사에 의해 생긴 것이 아님도 확인되었다. 후속 관측으로 큰 호 A0 외에 여러 개의 작은 호조각(arclet)들이 발견됨으로써 A370의 밝은 호들은 중력렌즈된 먼 은하의 상(image)인 것으로 결론지어졌다(그림 1). 중력렌즈에 의해 호가 생길 경우 쌍둥이퀘이사 Q0957+561에서 처럼 쌍둥이 상도 보여야 하는데 처음에는 몰랐지만 그림 1의 B2와 B3이 같은 은하의 여러 상 중 2개이고 C1과 C2도 한 은하의 쌍둥이 상임이 밝혀졌다.

이후 여러 은하단에서 밝은 호들이 발견되었는데 가장 극적인 모습을 보여주는 은하단이 아벨은하단 A2218이다(그림 3). 한눈에도 많은 은하들과 그 주위에 둥근 모양의 호가 수없이 많이 널려 있음을 볼 수 있다. 밝은 호 외에도 여러 쌍둥이 상들도 존재한다. 이렇게 관측된 호와 쌍둥이 상들에 대해 중력렌즈 이론을 적용하면 중력렌즈 역할을 하는 이 은하단의 질량 분포를 결정할 수 있다. 이렇게 결정된 질량은 빛을 내는 물질들과 암흑물질을 모두 포함한 질량이므로 이 은하단 내 암흑물질의 양과 분포에 대한 정보도 얻을 수 있다.

그림 3: 은하단 A2218을 허블우주망원경으로 촬영한 사진. 많은 밝은 호와 쌍둥이 상들이 보인다.(사진: )

중력렌즈는 질량에 의해 휘어진 공간을 빛이 전파하면서 생기는 현상이고 밝은 호는 은하들이 은하단에 의해 중력렌즈 되어 생긴 현상이므로 밝은 호들의 특성은 우주의 기하학적 구조, 은하단의 형성 과정, 은하의 진화 등 우주론적 역사에 대한 정보를 포함하고 있다. 긴 호가 발견된 확률, 호의 곡률, 호의 타원율 등의 통계적 특성으로 부터 암흑에너지에 대한 정보와 같은 우주론적 정보를 알아낼 수 있다.

밝은 호를 가지는 무거운 은하단은 우주적 규모의 렌즈 역할을 한다. 중력렌즈는 중력(즉 공간의 휨)에 의해 빛이 꺾인다는 점만 제외하고는 광학적인 렌즈와 광학적인 특성이 같다. 따라서 이런 은하단 뒤에 위치한 천체들은 경우에 따라 매우 확대되어 원래보다 밝게 관측된다. 원래는 작고 어두워서 관측할 수 없는 은하 등을 은하단을 이용해 확대하여 관측할 수 있으므로 무거운 은하단은 우주가 제공하는 돋보기라 할 수 있다. 천문학자들은 매우 작고 어두운 원시은하 등을 발견, 연구하기 위해 이런 우주돋보기를 활용하고 있다.