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- 왜소 은하가 은하의 중앙을 통과하면서 파도와 같은 난류가 발생
- 고리는 수억 년 후에 다시 사라져. 충돌이 불과 5천600만 년 전에 일어났을 것
- 연속된 링의 크기가 특정 비율로 존재할 것
- 첫 번째 링은 두 번째 링보다 3배 더 커야 하고, 세 번째 링은 이전 링보다 1.67배 더 커야

최초로 9개의 고리를 가진 은하 발견
독특한 구조는 두 은하의 중앙 충돌을 증명한다.

천문학자들은 최초로 9개의 고리를 가진 은하를 발견했다. 별 원반에는 밀도가 높은 가스와 별들로 이루어진 9개의 동심원이 그려져 있다. 이 특이하고 이전에 관찰되지 않았던 구조의 원인은 이 "표적" 은하의 중심에 충돌이 발생했기 때문이다. 왜소 은하가 은하의 중앙을 통과하면서 파도와 같은 난류가 발생했다. 마치 연못에 있는 돌처럼. 이를 통해 처음으로 이러한 충돌에 대한 이론을 시험할 수 있게 되었다. 

▲ 이 그래픽은 불스아이 은하에 있는 9개 고리의 위치를 ​​보여준다. © NASA/ESA, Ralf Crawford(STScI)

우주에서 은하계 충돌은 흔한 일이다. 우리 은하 역시 여러 차례 충돌과 충돌 직전 상황을 겪었다. 때로는 이로 인해 두 은하가 합쳐지기도 하고, 더 외곽적인 다른 충돌로 인해 별 원반이 변형되고 별 형성이 증가하기도 한다.

하지만 또 다른 충돌 시나리오도 있다. 작은 은하가 큰 은하의 중심을 직접 통과하는 경우다. 예일 대학의 이마드 파샤와 그의 동료들은 "중심을 통과하는 이러한 정면충돌에서 밀도 난류는 바깥쪽으로 퍼져 나가는 고리를 생성할 수 있다"고 설명했다. 이 이론에 따르면 이로 인해 특정 간격으로 연이어 나타나는 여러 개의 동심원이 생성된다. 그러나 지금까지 이러한 고리를 최대 3개까지만 가진 은하만 관찰됐으며, 그조차도 매우 적다.

은하계 속의 9개 고리

이제 상황이 바뀌었다. 천문학자들은 처음으로 훨씬 더 많은 고리를 가진 은하를 발견했다. 천문학적 첫 발견이다. 파샤는 "정말 우연한 발견이었다"며 "하늘 조사 이미지를 보고 있었는데, 여러 개의 선명한 고리가 있는 은하를 발견했다"고 말했다. LEDA 1313424 은하는 약 5억 6700만 광년 떨어져 있으며 은하수의 약 2.5배 크기다. 연구팀은 허블 우주 망원경과 하와이 케크 천문대의 망원경을 사용해 이 은하계를 더욱 자세히 조사했다.

새로운 이미지에 따르면 LEDA 1313424 은하에는 실제로 9개의 고리가 있어 우주의 표적과 거의 흡사하다. 그들의 동심원 모양의 밝은 영역은 모두 한 평면에 있지만 은하 중심을 중심으로 약간 불규칙하게 분포되어 있다. 천문학자들은 "이러한 고리 구조 중 일부는 은하계 중심 근처에 밀집되어 있고, 다른 일부는 수천 광년 밖으로 뻗어 있다"고 보고했다. 훨씬 더 멀리에는 희미한 열 번째 고리의 잔해가 여전히 존재할 수도 있다.

▲ 은하계의 Unsharp-mask view . 원래 고리로 식별된 구조 위에 빨간색 타원이 겹쳐져 있다. 그런 다음 각 구조 근처에서 제한된 반경의 방사형 프로파일을 사용하여 중심을 측정했다. (출처:관련논문 The Bullseye: HST, Keck/KCWI, and Dragonfly Characterization of a Giant Nine-ringed Galaxy / The Astrophysical Journal Letters) Published 2025 February 4

정확한 시기에 "포착"

이로써 "불스아이(Bullseye)-은하는 천문학상 최초의 은하가 되었다. 이들의 고리는 두 은하가 수직으로 충돌하는 희귀한 사례 중 하나를 보여주는 증거이며, 천문학자들은 이 사례를 적절한 시기에 발견했다. 예일 대학의 공동 저자인 피터 반 도쿰은 "우리는 매우 특별한 순간에 이 은하계를 포착했다"고 설명한다. "이런 충돌 후에는 은하계가 이렇게 많은 고리를 볼 수 있는 시간이 극히 짧기 때문이다.”

그 이유는 내부에서 외부로 퍼지는 밀도 난류가 비교적 빨리 약화되기 때문이다. 천문학자들은 "그러므로 고리는 수억 년 후에 다시 사라진다"고 설명했다. 가장 바깥쪽, 오래된 고리가 먼저 사라진다. 이런 이유로 지금까지 알려진 대부분의 고리 은하는 단지 1개, 2개, 3개의 고리만을 가지고 있다. 하지만 LEDA 1313424의 경우 충돌이 너무 최근에 일어나서 거의 모든 고리가 여전히 남아 있다. 연구팀은 충돌이 불과 5천600만 년 전에 일어났을 가능성이 있다고 결론지었다.
푸른 왜소은하는 충돌체였다

이미지는 또한 "범인"이 누구인지 보여준다. 불스아이-은하(Bullseye-Galaxie)에서 약 13만 광년 떨어진 곳에서 파샤와 그의 팀은 특이한 모양의 작은 왜소 은하를 발견했다. 천문학자들은 "이 푸른 덩어리 모양의 왜소 은하는 명백히 손상되어 있으며 강렬한 별 형성 덩어리가 많이 보인다. 아마도 충돌로 인해 생긴 것 같다"고 보고했다. "이것은 그것이 충격자였음을 시사한다.“

이에 대한 또 다른 증거는 고리 모양의 황도대 은하에서 청색 왜소 은하까지 뻗은 좁은 가스띠다. 반 도쿰은 "한 은하에서 다른 은하로 가스가 어떻게 흐르는지 그토록 명확하게 볼 수 있는 다른 사례는 없다"며 "이것은 이 물질이 충돌 중에 두 은하 중 하나에서 찢어졌다는 것을 보여준다. 아니면 둘 다." Bullseye 은하에 대한 자세한 분석은 또한 중성 수소 가스 함량이 증가했음을 보여주었는데, 아마도 충돌의 결과일 수도 있다.

▲ 이 덩어리진 푸른 왜소 은하는 약 5,600만 년 전에 불스아이 은하의 중심을 통과했다. © NASA/ESA, Imad Pasha(예일), Pieter van Dokkum(예일)

고리 형성 이론에 대한 첫 번째 테스트

9개 고리 은하의 발견으로 은하의 고리 형성에 대한 현재 모델을 처음으로 테스트할 수 있게 되었다. 이는 연속된 링의 크기가 특정 비율로 존재할 것이라고 예측한다. 첫 번째 링은 두 번째 링보다 3배 더 커야 하고, 세 번째 링은 이전 링보다 1.67배 더 커야 한다. 고리가 하나 추가될 때마다 거리는 더욱 짧아진다.

실제로 이론적으로 예측된 ​​이러한 조건은 불스아이 은하에서도 발견된다. van Dokkum은 "LEDA 1313424의 고리는 이론과 놀라울 정도로 일치한다"고 말했다. "이 오랜 예측을 마침내 확인할 수 있어서 정말 만족스럽다." 지금까지는 여러 개의 고리를 가진 은하가 부족해서 불가능했다.

▲ 우리 은하와 불스아이 은하의 크기 비교: LEDA 1313424의 크기는 25만 광년으로, 우리 은하보다 2.5배 더 크다. © NASA/ESA, Ralf Crawford(STScI)

고리 은하는 확산된 거대 은하로 변하는가?

천문학자들에 따르면, 나인-링 은하는 그저 고립된 곳에서 발견된 놀라운 천체가 아니다. 파샤와 그의 팀은 "고리 은하는 은하의 구조와 진화를 더 잘 이해하는 데 귀중한 연구실"이라고 설명했다. 대부분의 은하는 시간이 지남에 따라 충돌과 합병을 경험한다. 그러므로 이러한 영향이 어떻게 발생하고, 영향을 받은 은하계가 어떻게 변화하는지 아는 것이 중요하다.

특히 천문학자들은 LEDA 1313424에서처럼 이런 "표적 중심" 충돌이 장기적으로 이전에는 신비로웠던 은하 유형인 소위 거대 저표면 밝기 은하(GLSB)를 만들어낼 수 있다고 의심한다. 이들은 크지만 확산되어 있고 희미한 은하다. "LEDA 1313424의 크기는 이들 GLSB의 크기와 일치하며, 고리 은하가 고리가 확장되고 희미해짐에 따라 GLSB가 될 수 있다는 가설을 뒷받침한다"고 파샤와 그의 동료들은 이렇게 기술했다.
(The Astrophysical Journal Letters, 2025; doi: 10.3847/2041-8213/ad9f5c)
출처: Space Telescope Science Institute, W. M. Keck Observatory

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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