2021년 12월 발사된 제임스 웹 우주망원경(JWST)은 인류가 우주의 기원을 이해하는 데 있어 새로운 전기를 마련했습니다. 허블 우주망원경의 후계자로서, 특히 적외선 관측 능력이 뛰어난 제임스웹은 초기 은하와 별의 형성, 우주팽창의 속도 및 메커니즘에 관한 데이터를 수집하며 많은 천문학자들의 기대를 받고 있는데요. 이번 포스팅에서는 제임스웹이 어떻게 우주팽창의 결정적 증거들을 수집하고 있는지, 어떤 관측 결과들이 이론을 뒷받침하고 있는지 분석해보겠습니다.
초기 은하 관측과 우주팽창의 시공간적 증명
제임스웹 우주망원경의 핵심 기능 중 하나는 ‘깊은 우주 관측’입니다. 이는 곧, 우주 초기에 존재했던 은하들의 빛을 적외선으로 포착할 수 있음을 의미합니다. 우주는 팽창하고 있으며, 멀리 있는 은하일수록 그 빛은 지구에 도달하는 동안 더욱 긴 파장으로 ‘적색 편이’됩니다. 이 적색 편이 현상은 바로 우주가 지속적으로 팽창하고 있음을 보여주는 직접적인 증거 중 하나입니다. 제임스웹은 발사 이후, 빅뱅 이후 약 2억~3억 년밖에 되지 않은 시점의 은하들을 다수 포착했습니다. 이는 허블 우주망원경보다 훨씬 더 이른 우주를 관측할 수 있음을 보여주며, 그 은하들에서 감지된 극단적인 적색 편이(z 값 10 이상)는 당시 우주가 지금보다 훨씬 더 조밀하고 뜨거운 상태였다는 것을 입증해줍니다. 특히 JWST가 탐지한 ‘GLASS-z13’, ‘CEERS-93316’ 등과 같은 고적색 편이 은하는 우리가 지금까지 생각했던 것보다 은하 형성이 훨씬 빠르게 시작되었을 가능성을 보여줍니다. 이는 우주 팽창의 초기 속도에 대한 기존 이론에 도전하는 중요한 발견이며, 이후 팽창 속도의 변화 양상을 정밀하게 측정할 수 있는 자료로 활용되고 있습니다.
허블상수 논쟁과 제임스웹의 중재 가능성
천문학계에서는 현재 ‘허블상수(H0)’를 둘러싼 논쟁이 지속되고 있습니다. 허블상수는 우주의 팽창 속도를 나타내는 상수로, 초신성이나 은하단을 통해 측정한 값과 우주배경복사(CMB)를 통해 유도한 값 사이에 약 9%의 차이가 존재합니다. 이로 인해 일부 과학자들은 “우리가 우주를 잘못 이해하고 있다”고 주장하기도 합니다. 제임스웹은 이 논쟁에 ‘중재자’ 역할을 할 수 있는 강력한 도구입니다. 그 이유는 JWST가 제공하는 고해상도 적외선 관측이 ‘1차 거리 사다리(cepheid variable, Type Ia supernova 등)’의 오차율을 줄일 수 있기 때문입니다. 실제로 일부 연구팀은 제임스웹을 통해 얻은 초신성 데이터로 허블상수를 다시 측정하는 시도를 하고 있으며, 이는 기존 허블망원경의 관측보다 더 정밀한 결과를 보여주고 있습니다. 또한 JWST는 암흑에너지의 존재와 그 영향에 대해서도 간접적인 힌트를 제공하고 있습니다. 우주의 팽창이 가속화되고 있다는 사실은 암흑에너지의 존재를 지지하며, 제임스웹은 다양한 거리에서의 은하 분포를 관측함으로써 이 가속 팽창의 양상을 데이터로 시각화하고 있습니다. 이런 데이터를 통해 허블상수뿐 아니라, 우주의 전체 에너지 구성 비율에 대한 보다 정밀한 분석이 가능해지고 있습니다.
다중 파장 관측과 팽창 이론의 진화
기존의 허블 우주망원경은 주로 가시광선과 자외선 영역에서 관측을 수행했지만, 제임스웹은 적외선 영역에서의 감도가 매우 뛰어나 ‘차가운 우주’를 들여다볼 수 있는 능력을 지녔습니다. 이를 통해 형성 초기 단계의 은하와 별, 성운을 포착함으로써 우주의 팽창 역사를 훨씬 더 넓은 범위에서 관찰하게 됩니다. 예를 들어, 먼 거리에 있는 은하에서 나오는 빛은 우주 팽창에 따라 파장이 늘어나 적외선으로 변합니다. 제임스웹은 이 변형된 빛을 정밀하게 측정해 은하까지의 거리, 이동 속도, 그리고 시간에 따른 팽창 양상을 파악할 수 있게 도와줍니다. 특히 NIRCam, NIRSpec, MIRI 등의 장비는 다양한 파장에서의 데이터를 동시에 수집하여, 팽창 이론이 설명하는 물리적 현상들을 종합적으로 검증할 수 있습니다. 게다가 제임스웹이 제공하는 스펙트럼 데이터는 단순히 ‘팽창하고 있다’는 결론뿐 아니라, 어느 시점에 어떤 속도로 팽창했는지를 추론하는 데도 결정적인 역할을 합니다. 이를 통해 과학자들은 빅뱅 직후의 급격한 인플레이션, 이후 느려진 팽창, 그리고 암흑에너지의 영향으로 다시 빨라진 현재의 팽창 단계까지 3단계에 걸친 우주의 진화를 정량적으로 모델링할 수 있습니다. 결국, 제임스웹은 우주팽창 이론의 검증자이자 개선자 역할을 수행하고 있으며, 향후 이론물리학과 우주론 연구에 지대한 영향을 줄 것으로 예상됩니다.
제임스 웹 우주망원경은 단순히 ‘깊은 우주를 보는 눈’ 이상의 의미를 지닙니다. 초기 은하 관측, 정밀한 허블상수 측정, 다중 파장 데이터 수집 등을 통해 우주팽창에 대한 명확한 관측 근거를 제공하며, 우주론의 가장 큰 미스터리 중 하나인 ‘왜 우주는 팽창하는가’에 대한 답을 한 걸음씩 이끌고 있습니다. 앞으로의 관측 결과는 기존 이론을 강화하거나, 혹은 완전히 새로운 우주모형을 제시할지도 모릅니다. 지금 이 순간, 우주 과학의 패러다임은 변화하고 있습니다.