편집부가 천문대로 견학을 떠났어요. 망원경에 달린 분광기를 본 편집부는 엉뚱한 장난을 시작했지요. 편집부마다 서로 다른 반응을 보인 장난은 무엇이었을까요?
[통합과학 개념 이해하기]
제임스웹, 스펙트럼에서 우주의 단서를 찾다
저 먼 우주에 있는 별과 행성에 직접 가지 않고도 천체의 성분과 온도를 알아낼 수 있어요. 천체에서 날아온 빛에 여러 단서가 숨어 있기 때문이지요.
2021년 12월 우주로 발사된 대형 우주망원경인 제임스웹 우주망원경(제임스웹)은 스펙트럼을 분석해 먼 우주의 비밀을 밝혀내고 있어요. 빛을 분광기●에 통과시켜 파장●별로 펼쳐 놓은 모습을 스펙트럼이라고 하지요.
스펙트럼의 모습은 빛이 어디에서 왔고, 어떤 물질을 지나왔는지에 따라 달라져요. 뜨거운 고체나 액체가 내는 빛을 펼치면 무지개처럼 여러 색이 끊이지 않고 이어지는 ‘연속 스펙트럼’이 나타나요.
연속된 빛이 비교적 차가운 기체를 지나면 기체 속 원자가 특정 파장의 빛을 흡수해요. 무지개색 띠 사이에 검은 선이 나타나는 것을 ‘흡수 스펙트럼’이라고 하지요. 태양을 비롯한 별의 빛에서도 여러 흡수선을 볼 수 있어요.
뜨겁고 밀도가 낮은 기체에서는 반대 현상이 나타나요. 기체 속 원자가 특정 파장의 빛을 내보내 검은 바탕에 밝은 선이 나타나지요. 이를 ‘방출 스펙트럼’이라고 해요.
원소마다 흡수하거나 내보내는 빛의 파장이 달라 스펙트럼에서 선이 나타나는 위치도 달라요. 원소마다 고유한 ‘빛의 지문’이 있는 셈이지요. 과학자들은 스펙트럼선의 위치를 비교해 천체에 어떤 원소가 있는지 알아내요.
제임스웹은 주로 적외선●을 관측해 초기 우주의 은하와 별, 외계행성 등을 연구해요. 육각형 거울 18개를 이어 붙인 지름 약 6.5m의 주 거울로 먼 우주에서 오는 빛을 모아요. 사람이 볼 수 있는 빛의 일부와 적외선을 관측하며, 관측하는 빛의 파장은 약 0.6~28.5μm●예요. 제임스웹은 지구에서 약 150만km 떨어진 태양-지구 제2라그랑주점(L2) 주변을 돌며 우주를 관측하지요.
제임스웹에 실린 근적외선분광기(NIRSpec)는 천체에서 온 빛을 파장별로 펼쳐 스펙트럼을 분석해요. 2022년 8월에는 외계행성 WASP-39 b의 스펙트럼에서 이산화탄소를 확인했어요. 태양계 밖 행성의 대기에서 이산화탄소를 뚜렷하게 확인한 첫 사례였지요.
제임스웹은 빛을 어떻게 분석할까?
2. 부 거울이 빛을 반사해 관측 장비로 보내요.
4.스펙트럼 선의 위치를 분석해 천체에 어떤 원소가 있는지 알아내고, 선의 모양을 살펴 온도와 움직임도 추정해요.
[통합과학 넓히기]
별처럼 보였는데 블랙홀?!
최근 제임스웹 우주망원경(제임스웹)이 우주에서 작고 붉은 점처럼 보이는 천체의 스펙트럼을 분석해 블랙홀과 관련 있다는 강력한 증거를 찾아냈어요. 블랙홀은 중력이 매우 강해 사건의 지평선● 안에서는 빛조차 빠져나올 수 없는 천체예요.
바실리 코코레프 미국 오스틴 텍사스대 연구원이 이끈 국제 공동 연구팀이 제임스웹으로 관측한 붉은 천체 ‘GLIMPSE-17775’의 스펙트럼을 분석한 연구 결과를 2026년 6월 10일 국제 학술지 ‘천체물리학’에 발표했어요.
GLIMPSE-17775는 제임스웹이 발견한 ‘작은 붉은 점(LRD)’ 가운데 하나예요. 작은 붉은 점은 초기 우주에서 작고 붉게 보이는 천체를 가리켜요. 연구팀은 GLIMPSE-17775를 빅뱅 후 약 18억 년이 지난 시기에 존재했던 천체로 분석했지요. 빅뱅은 약 138억 년 전 우주가 팽창하기 시작한 사건이에요.
제임스웹은 GLIMPSE-17775의 스펙트럼에서 수소와 헬륨, 산소, 철 등 원소가 만든 40개가 넘는 선을 발견했어요. 연구팀은 어떤 원소가 있는지뿐 아니라 선의 모양도 자세히 살폈어요.
특히 수소 방출선이 양옆으로 넓게 퍼져 있었어요. 스펙트럼 선은 가스가 빠르게 움직이거나 빛이 가스 속 전자와 부딪혀 흩어질 때 넓어질 수 있어요.
연구팀은 선이 넓어진 이유가 가스의 빠른 움직임 때문인지, 빛이 전자에 부딪혀 흩어진 것 때문인지 비교했어요. 그 결과 전자에 의한 산란●을 포함한 설명이 관측 결과와 더 잘 맞았지요. GLIMPSE-17775 주변에 매우 빽빽한 가스가 있다는 단서였어요.
연구팀은 여러 증거를 종합해 GLIMPSE-17775가 ‘블랙홀 별’ 모형과 잘 맞는다고 설명했어요. 블랙홀 별 모형은 실제 별이 아니라 물질을 빨아들이는 블랙홀을 뜨겁고 빽빽한 가스가 감싸 별처럼 보이는 천체를 설명하는 모형이에요.
그렇다면 빛은 어디에서 나올까요? 블랙홀 주변의 가스는 사건의 지평선을 넘기 전에 뜨거워지면서 강한 빛을 내요. ‘블랙홀이 밝다’는 말은 블랙홀 자체가 아니라 주변 물질이 밝게 빛난다는 뜻이지요. 빛은 블랙홀을 둘러싼 빽빽한 가스를 지나면서 흡수되거나 전자에 의해 산란해 독특한 스펙트럼을 만들어요.
코코레프 연구원은 “앞으로 GLIMPSE-17775를 비롯한 작은 붉은 점의 중심에서 무엇이 강한 에너지를 만드는지 더 알아보고 싶다”고 밝혔어요.
GLIMPSE-17775에서 관측한 스펙트럼(흰 선)과 전자 산란을 포함해 계산한 스펙트럼을 비교한 그래프예요. 두 결과가 비슷하게 나타났어요.
용어 설명
●파장: 빛이 물결처럼 나아갈 때 같은 모양이 반복되는 두 지점 사이의 거리예요. 파장에 따라 빛의 색과 성질이 달라져요.
●적외선: 사람이 볼 수 있는 빛보다 파장이 길어 눈에는 보이지 않는 빛이에요.
●μm(마이크로미터): 아주 작은 길이를 나타내는 단위예요. 1μm는 1mm의 1000분의 1이에요.
●사건의 지평선: 블랙홀에서 빛조차 빠져나올 수 없는 경계예요.
●산란: 빛이 전자나 작은 입자에 부딪혀 여러 방향으로 흩어지는 현상이에요.
