미리 알고 들어가면 좋을 개념 3가지!
오늘의 논문: Suess et al. (2023). "Minor merger growth in action: JWST detects faint blue companions around massive quiescent galaxies at 0.5 ≤ z ≤ 3." arXiv:2307.14209.
은하는 혼자서 커지지 않습니다. 주변의 작은 은하들, 물질들을 흡수하며 조금씩, 꾸준히 커집니다. 그런데 그 '작은 은하들'이 얼마나 작을 수 있는지, 우리는 지금껏 제대로 알지 못했습니다. JWST가 등장하기 전까지는요.
1. 정지 은하는 왜 계속 커지는가?
별 생성을 멈춘 정지 은하는 조용히 늙어가는 것처럼 보입니다. 그런데 이상한 점이 있습니다. 지금의 정지 은하들이 훨씬 크다는 사실이지요. z~2, 즉 약 100억 년 전의 정지 은하들은 지금의 정지 은하들보다 훨씬 작고 밀집되어 있습니다. 별을 만들지도 않는데, 어떻게 크기가 커진 걸까요?
천문학자들이 가장 유력하게 생각하는 답은 소규모 합병입니다. 가스가 거의 없는 작은 은하들을 꾸준히 흡수하면서, 중심부의 밀도는 유지한 채 바깥쪽을 조금씩 불려 나가는 방식입니다. 이 과정에서 자연스럽게 중심부는 붉고, 바깥쪽은 더 파란 색 기울기도 만들어집니다.
문제는 이 소규모 합병을 직접 관측하기가 매우 어렵다는 것이었습니다. 동반은하가 너무 작고 희미해서, 밝은 주은하의 빛에 묻혀 버리기 때문입니다. 허블 망원경은 질량비 1:10 이상의 동반 은하만 간신히 검출할 수 있었고, 그것만으로는 관측된 크기 성장의 절반 정도밖에 설명이 되지 않았습니다.
2. JWST로 161개 정지 은하 주변을 탐색하다
연구팀은 JWST의 JADES 서베이 데이터를 활용해 z = 0.5~3 범위의 대규모 정지 은하 161개 주변 35kpc 이내를 정밀하게 탐색했습니다. JWST는 허블보다 해상도가 3배 높고 최대 2등급 더 깊은 관측이 가능하여, 기존에는 주 은하빛에 완전히 묻혀 버렸던 희미한 동반 은하들을 처음으로 포착할 수 있었습니다.
그 결과는 놀라웠습니다. 161개의 정지 은하 주변에서 총 629개의 동반 은하가 발견됐습니다. 은하 하나당 평균 약 5개의 동반 은하가 존재한다는 뜻입니다.
3. 그런데 이 동반 은하들, 얼마나 작을까?
629개 중 질량비 1:10 이상, 즉 허블이 검출할 수 있었던 동반 은하는 단 6%에 불과했습니다. 나머지 94%는 질량비 1:10보다 훨씬 작은, 허블로는 볼 수 없었던 동반 은하들이었습니다.
발견된 동반 은하들의 질량비 중앙값은 무려 1:900. 주 은하보다 질량이 900배나 작은 은하들이 주변을 빼곡히 둘러싸고 있었던 것입니다.
그럼에도 불구하고, 이 작디작은 동반 은하들이 기여하는 질량은 결코 무시할 수 없습니다. 소규모 합병을 통해 정지 은하로 유입되는 전체 질량의 최소 30% 이상이 이 작은 동반 은하들에서 온다는 계산이 나옵니다.
4. 작은 동반 은하들은 어떻게 생겼을까?
동반 은하의 색도 매우 흥미롭습니다. 질량비 1:10보다 큰 동반 은하, 즉 비교적 무거운 동반 은하는 주 은하와 비슷하게 붉은 색을 띱니다. 이미 늙은 별들로 가득 찬, 조용한 은하들입니다.
반면 질량비 1:10보다 작은 동반 은하들, 즉 이번 연구에서 새롭게 발견된 작은 동반 은하들은 훨씬 파란 색을 띠고 별 형성도 활발합니다. 주 은하보다 젊고 가볍고 생동감 넘치는 은하들이 정지 은하 주변을 맴돌고 있는 것입니다.
이것이 중요한 이유는, 이 파란 동반 은하들이 흡수될 때 정지 은하의 바깥쪽에 파란 빛을 더하게 되고, 이것이 중심은 붉고 바깥은 파란 색 기울기를 만들어내는 주요 원인이 될 수 있기 때문입니다.
5. 소규모 합병 모델이 훨씬 더 넓은 질량 범위에서 작동한다
기존 연구들은 질량비 1:10 이상의 소규모 합병만 다룰 수 있었고, 그것으로 정지 은하 크기 성장의 절반 정도를 설명했습니다. 이번 연구는 그 모델이 훨씬 더 극단적인 질량비, 1:100 혹은 1:1000 수준까지 확장된다는 것을 보여줍니다.
수백, 수천 배나 작은 은하들을 꾸준히 먹어 가면서 정지 은하는 바깥쪽을 키우고, 색 기울기를 쌓아 가고, 조금씩 진화해 나갑니다.
은하의 성장이 화려한 대규모 합병만으로 이루어지는 것이 아니라, 눈에 거의 보이지 않는 수많은 작은 사건들의 누적으로 이루어진다는 것을 이번 연구는 직접 보여 주었습니다.
6. 아직 남은 과제들
물론 이번 연구는 시작에 가깝습니다. 특히 z > 1.5 이상의 높은 적색편이에서는 질량비 1:100 이하의 동반 은하를 모두 검출했다고 보기 어렵고, 붉은 색을 띠는 동반 은하들은 여전히 탐색에서 누락됐을 가능성이 있습니다. 탐색 반경을 35kpc 너머로 넓히면 더 많은 동반 은하가 발견될 것으로 예상됩니다.
또한 동반 은하의 나이와 금속 함량을 더 정밀하게 분석하려면, 현재보다 정교한 스펙트럼 모델링이 필요합니다. 나이와 은하 내 금속 함량 간의 상호작용을 제대로 풀어내야 정지 은하의 색 기울기가 어디서 왔는지 최종적으로 결론 내릴 수 있습니다.
은하는 혼자 성장하지 않습니다. 크기가 900분의 1도 안 되는 작은 은하들을 끊임없이 흡수하면서, 조용하지만 꾸준하게 바깥을 넓혀 갑니다.
허블이 볼 수 없었던 그 작은 동반 은하들이 사실은 정지 은하 진화의 핵심 조각이었던 것 아닐까요? JWST는 지금 그 퍼즐 조각들을 하나씩 드러내고 있습니다.
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