웹 망원경의 ‘가장 먼 은하’ 후보 카포타우로, 정체는 우리은하의 갈색왜성

한때 제임스 웹 우주망원경이 포착한 가장 먼 은하로 제시됐던 희미한 붉은 점, 카포타우로가 움직였다. 삼 년 반에 걸쳐 이 천체는 하늘 위를 아주 작은 거리만큼 미끄러졌고, 수십억 광년 떨어진 은하는 그럴 수 없다.

이 움직임은 일 년 넘게 이어진 논쟁에 종지부를 찍었다. 카포타우로는 갈색왜성, 즉 수소를 태울 만큼 크지 못한 ‘실패한 별’로, 갓 내린 차 한 잔과 비슷한 온도로 우리 은하 내부를 떠돌고 있다. 이 천체는 최초의 은하에 관한 이야기를 다시 쓰는 대신, 지금까지 확인된 같은 종류의 천체 중 가장 차갑고 먼 존재 중 하나가 되었다.

이 결과는 에든버러 대학교 천문학 연구소의 펑위안 류(Fengyuan Liu)와 데릭 매클라우드(Derek McLeod)가 이끄는 연구팀이 도출했으며, 왕립천문학회 월보에 발표되었다. 연구팀은 132밀리초각(오차범위 ±20밀리초각)의 이동을 측정했으며, 이는 은하, 활동성 블랙홀, 또는 초신성일 가능성을 6시그마 이상으로 배제한다. 물리학자들은 보통 5시그마가 되어야 발견을 주장할 수 있다.

그만큼 이번 연구의 중요성은 컸다. 만약 카포타우로가 은하였다면, 그 빛은 빅뱅 이후 약 9천만 년 후에 출발했을 것이며, 이는 분광학적으로 확인된 가장 먼 은하인 MoM-z14보다 거의 2억 년 더 이른 시기다. 또한 너무나도 밝아서 그런 초기 천체라고 보기에는 역시 밝았다. “만약 적색편이 32의 은하라면, 우리가 지금까지 생각해 온 많은 것들이 틀렸다는 뜻이 됩니다”라고 후보 천체가 발표되었을 당시 태국 국립천문연구소의 니차 리토차왈릿(Nicha Leethochawalit)이 말했다.

머리카락 굵기만 한 이동이 어떻게 결정적 증거가 되었나

먼 은하는 인간의 수명보다 훨씬 더 긴 시간 동안 하늘의 같은 지점에 고정되어 있다. 우리 은하 내부의 별과 갈색왜성은 각자의 속도로 은하를 공전하기 때문에, 몇 년 사이에 배경에 대해 미끄러져 움직인다. 이러한 이동, 즉 고유운동이 가까운 천체와 우주적 거대 천체를 구별하는 가장 확실한 방법이다.

연구팀은 CEERS 탐사에서 발견된 이미지와 3년 반 후에 두 개의 웹 프로그램(MINERVA와 SPAM)이 촬영한 새로운 이미지를 비교했다. 두 프로그램 모두 카포타우로가 가장 밝게 보이는 웹의 NIRCam 카메라 장파장 필터를 사용했다. 연구진은 카포타우로의 위치를 68개의 작고 콤팩트한 배경 광원에 고정시키고, 이미지에 가짜 광원을 주입하는 방식 등 5만 번의 시뮬레이션을 실행하여 이런 측정값이 우연히 얼마나 흔들릴 수 있는지 확인했다.

연구진이 발견한 이동량은 132밀리초각으로, 100미터 이상 떨어진 곳에서 본 사람의 머리카락 굵기와 맞먹는다. 겉보기 이동의 일부는 시차(지구가 태양을 공전하면서 생기는 미세한 연간 흔들림)에서 비롯될 수 있지만, 여기서 시차는 약 3밀리초각에 불과하며 방향도 다르다. 거의 모든 움직임은 실제 우주 공간에서의 운동이며, 연간 약 38밀리초각에 해당한다.

분광 관측으로도 해결할 수 없었다. 웹의 희미한 NIRSpec 분광 데이터는 두 가지 해석 모두와 일치했고, 카포타우로는 더 나은 분광 데이터를 얻기에는 너무 어둡다. 그래서 연구팀은 화학을 기하학으로 바꾸었다. 시간의 끝자락에 있는 은하는 움직일 수 없다. 가까운 갈색왜성은 반드시 움직여야 한다.

실패한 별이 어떻게 갓 태어난 은하로 오인될 수 있나

천문학자들은 ‘드롭아웃(dropout) 방법’이라는 기법으로 가장 초기의 은하를 찾아낸다. 팽창하는 우주가 빛을 늘리고, 은하 사이의 수소 가스가 특정 파장보다 짧은 모든 빛을 흡수하기 때문에, 매우 먼 은하는 웹의 짧은 필터에서는 사라지고 가장 붉은 필터에서만 다시 나타난다. 카포타우로는 정확히 그 패턴을 보여주었으며, 약 3등급의 드롭이 있었고, 색상은 적색편이 약 32를 가리켰다.

가장 차가운 갈색왜성, 즉 Y형 왜성은 동일한 신호를 흉내낼 수 있다. 대기 중의 물, 메테인, 암모니아가 더 짧은 적외선 파장의 거의 모든 빛을 흡수하고, 4~5미크론 사이에서 급격히 밝아진다. 몇 개의 광대역 필터를 통해서는 희미한 Y형 왜성과 불가능할 정도로 초기의 은하가 똑같이 보일 수 있다.

이러한 함정은 오래된 것이다. 차가운 갈색왜성은 이미 허블 시대에 적색편이 5~7의 은하로 위장한 바 있다. 이제 그 사칭범은 더 차가운 Y형 왜성으로, 천문학자들이 사용하던 템플릿 라이브러리에는 종종 누락되어 있다. 적색편이 30을 넘는 다른 두 후보(총알 성단 근처)도 두 번째 웹 촬영에서 움직이는 모습이 포착되면서 Y형 왜성으로 밝혀졌다.

이 천체를 보고한 팀을 이끌었던 파도바 대학교의 조반니 간돌피(Giovanni Gandolfi)는 카포타우로를 ‘지금까지 본 가장 먼 은하’일 가능성이 있다고 언급하면서도, 대안으로 차가운 갈색왜성 또는 떠돌이 행성을 후보 목록에 포함시켰다. JADES 팀의 분석은 이미 카포타우로의 색상이 약 350켈빈의 Y형 왜성과 일치한다는 사실을 발견한 바 있다.

카포타우로의 정체

새로운 측정 결과는 이 천체가 분광형 Y1, 약 350켈빈(섭씨 77도)의 갈색왜성임을 가리킨다. 이 천체는 태양 에너지의 약 500만분의 1을 방출하며, 약 730파섹(약 2,400광년) 거리에 있고 오차 범위는 약 360광년이다.

이는 이 천체를 특이한 존재로 만든다. 알려진 대부분의 Y형 왜성은 태양에서 수십 광년 이내에 있으며, 가장 차가운 갈색왜성으로 알려진 WISE 0855는 7.4광년 떨어져 있다. 초기 은하를 찾기 위해 설계된 깊은 탐사만이 이렇게 희미하고 먼 천체를 포착할 수 있었다.

속도도 눈에 띈다. 측면 속도가 초속 약 132킬로미터, 즉 시속 약 47만 5천 킬로미터에 달한다. 그 시선 방향을 따라 수행한 우리 은하 시뮬레이션에 따르면, 이러한 속도는 얇은 원반 별의 0.4%에서만 나타나지만, 두꺼운 원반(100억~120억 년 된 더 오래된 항성군)에서는 8%에서 나타나므로, 카포타우로는 고대 천체일 가능성이 있다. Y형 왜성의 질량은 보통 목성의 3~25배이며, 온도는 지금까지 촬영된 가장 차가운 거대 외계행성과 비슷하다.

측정값이 해결하지 못한 것

거리는 알려진 갈색왜성의 템플릿과 카포타우로의 색상을 비교하여 추정한 것이지, 직접적인 기하학적 시차 측정을 통한 것이 아니다. 사용 가능한 템플릿이 Y1형에서 멈추기 때문에, 연구팀은 더 차가운 천체일 가능성을 배제할 수 없다. 만약 카포타우로가 가정보다 더 차갑고 어둡다면, 더 가까이 있을 것이며, 이는 속도를 낮추고 이 천체를 얇은 원반의 평범한 구성원으로 만들 것이다.

질량은 알려지지 않았고, 화학적 조성의 대부분도 마찬가지다. 카포타우로는 약 4~5미크론 사이에서만 감지되었으며, 웹의 분광기로 실용적인 후속 관측을 하기에는 너무 어둡기 때문에, 연구팀은 이 천체가 주로 먼 갈색왜성에 대한 통계적 탐침 역할을 할 것으로 예상한다.

또 다른 연구 그룹은 카포타우로가 적색편이 15 부근에서 폭발한 거대 초기 별의 쌍불안정성 초신성일 가능성을 제기하며, 약 23%의 밝기 증가를 근거로 들었다. 에든버러 연구팀은 두 이미지 세트 사이에 유의미한 변화를 발견하지 못했지만, 갈색왜성에서 흔히 볼 수 있는 최대 10%의 변동 가능성은 배제할 수 없다. 그들은 원래의 밝기 측정값이 과도하게 큰 측정 구경 때문에 약 50% 높게 측정되었을 가능성이 있다고 주장한다. 움직이는 천체라는 점 역시 초신성 가설을 배제한다.

이번 결과가 현재 기록을 넘어서는 모든 은하 주장을 무효화하는 것은 아니다. 이 결과는 이들을 검증하기 위한 규칙을 제시한다. 적색편이 30 부근의 후보들은 차가운 갈색왜성 템플릿과 대조되어야 하며, 둘 이상의 시기에 촬영된 이미지가 존재할 경우 그 위치를 비교해야 한다.

카포타우로에 관한 자주 묻는 질문

카포타우로란 무엇인가?

카포타우로는 CEERS 탐사 영역의 제임스 웹 우주망원경 이미지에서 발견된 희미한 적외선 광원으로, 처음에는 빅뱅 이후 약 9천만 년 후인 적색편이 32의 은하로 제안되었다. 고유운동은 이제 이것이 우리 은하 내부의 차가운 갈색왜성임을 보여준다. 파도바 대학교의 발견자들은 이탈리아 아펜니노 산맥의 봉우리인 코르노 알레 스칼레의 옛 이름을 따서 명명했다.

Y형 왜성이란 무엇인가?

Y형 왜성은 갈색왜성 중 가장 차가운 등급으로, 행성보다 무겁지만 별처럼 수소를 융합하기에는 너무 가벼운 천체이다. Y형 왜성은 약 500켈빈보다 차갑고, 일부는 실온에 가까우며, 대기 중의 물, 메테인, 암모니아가 빛의 대부분을 흡수한다.

천문학자들은 어떻게 갈색왜성과 먼 은하를 구별하는가?

색상만으로는 오해를 불러일으킬 수 있다. 차가운 갈색왜성이 초기 은하를 찾는 데 사용되는 빛의 급락을 모방하기 때문이다. 가장 확실한 테스트는 수년 후에 다시 천체를 촬영하는 것이다. 먼 은하는 고정되어 있는 반면, 우리 은하 내부의 갈색왜성은 이동한다.

지금까지 확인된 가장 먼 은하는 무엇인가?

분광학적으로 확인된 가장 먼 은하는 MoM-z14로, 빅뱅 이후 약 2억 8천만 년 후의 모습이 관측된다. 색상만을 기준으로 한 여러 후보들이 더 이른 시기를 주장하고 있으며, 카포타우로는 그중 가장 극단적인 사례 중 하나였다.

발견 이미지는 2022년 12월에 촬영되었고, 두 번째 이미지 세트는 2026년 6월 중순에서 말 사이의 웹 관측에서 나왔다. 왕립천문학회 월보는 2026년 10월 28일에 이 분석을 게재했다. 연구자들이 다음 단계로 언급한 것은 카포타우로의 시차를 측정하기 위한 세 번째 촬영(추정 거리를 측정된 거리로 바꿔줄 것)과, 연구하기 더 쉬운 더 밝은 사촌들을 잡아내기 위한 더 넓은 웹 탐사이다.

참고문헌: Liu et al., “A clear detection of proper motion confirms that the claimed z ≃ 32 galaxy candidate, ‘Capotauro’, is a Y-type brown dwarf,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2026. DOI: 10.1093/mnras/stag2055

태그: 천문학, James Webb Space Telescope, 갈색왜성, 우리은하, Capotauro, CEERS