우주 먼지는 별빛을 어떻게 바꾸나? 3D 지도로 밝힌 은하의 비밀

우리가 보는 별빛은 그대로일까, 아니면 우주 먼지에 의해 색이 변한 것일까? 먼지는 빛의 일부를 흡수하고 산란시키며, 그 과정에서 별빛의 색과 밝기가 달라질 수 있다.

우주 먼지는 별빛을 가리면서 색을 붉게 만드는 ‘적색화’ 현상을 일으키고, 밝기를 감소시키는 ‘소광’ 효과도 유발한다. 먼지가 많은 곳에서 천체를 관측하는 것은 마치 더럽고 흐린 유리창을 통해 우주를 바라보는 것과 같다.

최근 독일 막스플랑크 천문학연구소(MPIA) 연구진은 이러한 먼지의 영향을 정밀하게 측정한 최초의 3D 먼지 지도를 제작했다. 이 지도는 천문학자들이 우주를 더 선명하게 볼 수 있도록 돕는 중요한 도구가 될 것이다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’에 발표됐다.

130억 개의 별빛이 말해주는 은하의 먼지 구조

다행히 천문학자들은 먼지가 별빛에 미치는 영향을 역으로 분석할 방법을 알고 있다. 우주 먼지는 모든 파장에서 빛을 동일하게 흡수하지 않는다. 단파장(푸른빛)은 더 강하게 흡수하고, 장파장(붉은빛)은 상대적으로 약하게 흡수하는 성질이 있다. 이를 그래프로 나타낸 것이 ‘소광 곡선’이다.

소광 곡선의 형태를 분석하면 먼지의 조성과 주변 환경(방사선량, 밀도 등)에 대한 정보를 알 수 있다. 이번 연구를 수행한 샹위 장(Xiangyu Zhang) 박사(MPIA)와 그레고리 그린(Gregory Green) 박사(MPIA)는 유럽우주국(ESA)의 가이아(Gaia) 망원경 데이터를 활용해 우리은하의 먼지를 기록한 가장 정밀한 3D 지도를 제작했다.

가이아 탐사는 10년간 우리은하에 속한 10억 개 이상의 별의 위치와 운동, 스펙트럼 데이터를 수집하는 대규모 프로젝트다. 연구진은 2022년 공개된 가이아 3차 데이터(Gaia DR3)에서 2억 2천만 개의 별의 스펙트럼 데이터를 확보했고, 그중 품질이 높은 1억 3천만 개의 데이터를 엄선해 분석했다.

문제는 가이아 데이터가 저해상도 스펙트럼을 제공한다는 점이다. 연구진은 이를 보완하기 위해 중국 국가천문대의 LAMOST 데이터(고해상도 스펙트럼)를 활용해 1%의 별에 대한 상세 정보를 획득했다. 이 데이터를 머신러닝 모델에 학습시켜 나머지 별들의 특성을 추정하는 방식을 적용했다.

그 결과, 우리은하의 먼지가 빛을 흡수하는 소광 곡선의 3차원 분포를 정밀하게 복원하는 데 성공했다. 이는 기존 연구보다 130배 많은 별을 분석한 결과다.

우주 먼지, 별과 행성 탄생의 필수 요소

우주 먼지는 천문학 관측을 방해하는 요소로 여겨지지만, 동시에 별과 행성의 탄생에 필수적인 재료이기도 하다. 별은 거대한 가스 구름 속에서 형성되며, 그 가스를 보호하는 역할을 하는 것이 바로 먼지다. 태어난 별들은 먼지와 가스로 이루어진 원시 원반(protoplanetary disk)에 둘러싸이는데, 이 원반에서 미세한 먼지 알갱이들이 뭉쳐 결국 행성으로 성장한다.

실제로 우주에는 수소와 헬륨을 제외한 무거운 원소 대부분이 먼지 알갱이 속에 존재한다. 우리 몸을 구성하는 탄소, 산소, 질소, 철 등의 원소도 먼지를 거쳐 행성에 축적되었을 가능성이 크다.

이번 연구에서 연구진은 먼지의 밀도가 높아질수록 소광 곡선이 변하는 특징을 발견했다. 기존에는 먼지 밀도가 증가하면 소광 곡선이 완만해질 것으로 예상했으나, 중간 밀도 영역에서 오히려 단파장이 더 강하게 흡수되는 패턴이 관측되었다. 연구진은 이 현상이 먼지 입자가 성장한 것이 아니라, ‘다환 방향족 탄화수소(PAHs)’ 분자들이 증가했기 때문일 가능성이 있다고 추정했다.

PAHs는 우주에서 가장 흔한 탄화수소 분자로, 생명의 기원과도 관련이 있을 수 있다. 연구진은 후속 연구를 통해 이 가설을 검증할 계획이다.

이번 연구를 통해 천문학자들은 먼지가 만들어내는 왜곡을 보정하는 더 정밀한 방법을 확보했다. 연구팀이 만든 3D 먼지 지도는 앞으로 은하 탐사, 외계 행성 연구, 별의 진화 과정 분석 등에 필수적인 데이터가 될 전망이다.

손동민 기자/ hello@sciencewave.kr

더 많은 정보: Xiangyu Zhang, Three-dimensional maps of the interstellar dust extinction curve within the Milky Way galaxy, Science (2025). DOI: 10.1126/science.ado9787. www.science.org/doi/10.1126/science.ado9787

자료: Science