유클리드, 1년 만에 역대 모든 탐색보다 많은 중력렌즈 찾았다

유럽의 유클리드(Euclid) 우주망원경이 약 1년간의 하늘 관측을 통해 이전의 모든 탐색을 합친 것보다 더 많은 강한 중력렌즈를 발견했다. 유럽우주국(ESA)이 발표한 첫 번째 주요 데이터 공개 자료에는 약 1만 5천 개의 신뢰도 높은 렌즈 후보가 포함되어 있다. 각각의 경우, 전경 은하의 중력이 더 먼 은하의 빛을 휘게 하여 호, 고리 또는 중복 이미지를 만든다.

이는 렌즈가 저울처럼 작용하기 때문에 중요하다. 빛이 휘는 정도는 전경 은하에 얼마나 많은 질량이 있는지 보여주며, 여기에는 어떤 망원경으로도 직접 볼 수 없는 암흑물질도 포함된다. 지금까지 천문학자들은 이러한 시스템을 하나씩 드물게 발견하며 연구해 왔다. 이렇게 방대한 목록을 통해 연구자들은 이를 하나의 집단으로 연구할 수 있으며, 같은 데이터 공개는 암흑 우주를 매핑하는 더 광범위한 작업에 9억 개 이상의 은하를 추가한다.

DR1-Foundation이라고 불리는 이 데이터 공개는 약 1,900 제곱도의 하늘을覆盖하며, 이는 보름달 면적의 약 9,500배에 해당한다. 여기에는 10억 개 이상의 등재된 천체, 6천만 개 이상의 퀘이사 후보, 1억 6천만 개 이상의 소스에 대한 스펙트럼, 그리고 약 170만 기가바이트의 데이터가 포함되어 있다. 또한 이는 유클리드가 관측할 예정인 전체 영역의 14%에 불과하다.

“강한 중력렌즈는 암흑 우주에 대한 독특한 통찰력을 제공하며, 보이지 않는 암흑물질을 포함한 개별 은하의 ‘무게’를 측정하고 우주가 어떻게 팽창하는지 탐구할 수 있게 해줍니다,”라고 유클리드 컨소시엄(Euclid Consortium)의 일원이자 렌즈 목록 논문의 제1저자인 포츠머스 대학교(University of Portsmouth)의 나탈리 라인스(Natalie Lines)가 말했다.

유클리드가 9억 개의 은하 중에서 1만 5천 개의 렌즈를 어떻게 골라냈나

렌즈는 드물다. 수천 개의 은하 중 약 하나만이 배경 소스와 충분히 정확하게 정렬되어 렌즈 역할을 하며, 많은 렌즈 이미지는 지구 대기의 흐릿함을 통해 분해하기에는 너무 작다. 유클리드는 1.2미터 거울과 두 개의 장비, 즉 선명한 이미지를 생성하는 가시광선 카메라 VIS와 근적외선 이미지를 촬영하고 빛을 스펙트럼으로 분할하는 NISP를 장착하고 우주에서 관측한다.

탐색은 데이터 공개에 포함된 약 9억 개의 소스로 시작하여 첫 번째 카탈로그 컷을 통과한 6,800만 개를 유지했다. 다섯 개의 머신러닝 모델이 그 천체들을 평가했다. 가장 유망한 것들은 Zooniverse 플랫폼에서 호스팅되는 Space Warps 프로젝트의 약 7,000명의 시민 과학자들에게 전달되었으며, 이들은 30만 개의 천체에 대해 450만 건 이상의 분류를 수행했다. 마지막으로 67명의 렌즈 전문가가 3만 개 이상의 시스템을 검사하고 등급을 매겼다.

등급은 중요하다. 15,072개의 신뢰도 높은 후보 중 6,073개는 A등급으로, 팀은 이를 “확실한 렌즈”로 분류하고, 8,999개는 B등급으로 “가능성 있는 렌즈”로 분류한다. 또 다른 9,010개의 C등급 “가능한” 시스템은 별도로 공개된다. 그런 다음 소프트웨어는 각 A등급 및 B등급 시스템을 렌즈 모델로 재현하려고 시도했으며, 9,500개 이상의 렌즈에 대해 팀은 거리와 전경 은하의 물리적 특성을 추정했다.

그 전경 은하들의 대부분은 거대하며 더 이상 새로운 별을 형성하지 않는다. 이들은 전형적인 적색편이 0.68에 위치하는데, 이는 우주 팽창이 그들의 빛을 얼마나 늘렸는지를 측정한 것으로, 지상 망원경의 이전 렌즈 샘플이 도달했던 것보다 더 먼 거리이다.

드문 발견에서 수천 개의 인구 조사로

첫 번째 강한 렌즈인 쌍둥이 퀘이사(Twin Quasar)는 거의 50년 전에 확인되었다. 그 이후로, 지구에서 볼 수 있는 대부분의 하늘을 함께覆盖하는 가장 큰 지상 관측에서는 유클리드 컨소시엄에 따르면 이러한 은하-뒤-은하 유형의 렌즈 약 3,000개를 발견했다. 유클리드의 15,072개 신뢰도 높은 후보는 이전의 모든 카탈로그를 합친 것보다 많다.

그 각각은 동일한 망원경과 동일한 방법으로 발견되었다. 렌즈가 다양한 관측과 선택 방법에서 나오면 비교하기 어렵다. 단일하고 균일한 샘플을 통해 연구자들은 거대 은하 주변의 암흑물질이 은하마다 어떻게 변하는지와 같은 통계적 질문을 할 수 있으며, 이는 수백 개의 일치하지 않는 시스템으로는 답할 수 없다.

하늘覆盖의 규모도 새롭다. 이번 데이터 공개의 영역은 컨소시엄에 따르면 허블 우주망원경이 35년 동안 관측한 면적의 약 10배이다. 유클리드의 이전 데이터 공개에는 약 60 제곱도에 걸친 며칠간의 관측이 포함되어 있었다. ESA의 유클리드 프로젝트 과학자 발레리아 페토리노(Valeria Pettorino)는 이러한 도약을 “규모의 변화”라고 설명했다.

카탈로그에는 또한 한때 단독 발견이었던 드문 유형도 포함되어 있다. 하나의 전경 은하가 서로 다른 거리에 있는 두 개의 배경 은하를 렌즈로 만드는 84개의 이중 소스 평면 렌즈 후보, 원반 은하에 의해 형성된 1,000개 이상의 렌즈 후보, 그리고 수백 개의 렌즈된 퀘이사와 활동성 은하핵이 나열되어 있다. 유클리드 이전에는 처음 두 부류의 알려진 예가 거의 없었다.

데이터 공개에는 렌즈 이상의 것이 포함되어 있다

데이터와 함께 발표된 다른 논문들은 그 범위를 보여준다. 한 팀은 15개의 희미한 항성계를 처음으로 개별 별들로 분해했으며, 그중 5개는 새로운 발견이다. 새로운 것 중 하나인 작은곰자리 II(Ursa Minor II)는 우리 은하 헤일로에서 약 6만 5천 광년 떨어져 있으며 별의 질량이 태양 질량의 약 40배에 불과하여 알려진 항성계 중 가장 어두운 것 중 하나이다.

두 번째 연구는 4천만 개 이상의 별 형성 은하의 형태를 측정했으며, 이는 제임스 웹 우주망원경의 유사한 연구보다 440배에서 52,800배 더 큰 샘플이다. 낮은 질량의 은하 중에서는 길쭉한 시가 모양의 은하가 우주가 나이를 먹으면서 드물어지고 납작한 원반이 지배적이라는 것을 확인했다.

DR1-Foundation이 해결하지 못한 것

유클리드의 주요 목표는 우주 가속 팽창의 설명되지 않은 원인인 암흑 에너지를 측정하고 우주 역사 전반에 걸친 암흑물질을 매핑하는 것이다. 이번 데이터 공개는 아직 그렇게 하지 않는다. 약한 중력렌즈 지도와 은하 군집을 포함한 우주론에 필요한 측정은 아직 생산 중이며 전체 첫 번째 데이터 공개와 함께 제공될 것이다.

렌즈 자체는 여전히 후보일 뿐이다. A등급 시스템만이 확실한 것으로 평가되며, 발견 팀은 전문가 등급이 여전히 주관적이므로 개별 검사관의 편향을 보정했다고 썼다. 탐색은 또한 일부 실제 렌즈를 놓쳤다. 팀은 해당 영역에서 확실한 시스템의 약 73%를 발견했으며, 나머지는 더 희미하거나 더 모호할 가능성이 있다고 추정한다. 개별 시스템을 확인하려면 스펙트럼을 포함한 후속 관측이 필요하다.

과학 논문은 사전 인쇄본이다. 데이터와 함께 공개된 8편의 과학 논문과 18편의 기술 논문은 저널 Astronomy & Astrophysics의 특별호를 위해 작성되었으며 아직 동료 검토를 완료하지 않았다.

하늘覆盖도 부분적이다. 계획된 관측의 14%에서 샘플이 전체 하늘을 대표하지 않을 수 있으며, 컨소시엄 과학자들은 처리 과정을 확인하는 동안 데이터 품질이 나머지와 다른 몇몇 영역을 발견했다.

“이는 유클리드가 궁극적으로 제공하려는 것의 14%에 불과하지만, 10년 이상 전에 유클리드가 지원할 과학적 노력의 범위에 대해 약속했던 것들이 실현되기 시작하고 있음을 이미 볼 수 있습니다,”라고 프랑스 대체에너지 및 원자력위원회(CEA)의 천체물리학자이자 유클리드 컨소시엄의 책임자인 마르크 소바주(Marc Sauvage)가 말했다.

유클리드의 첫 번째 데이터 공개에 관한 질문

유클리드의 DR1-Foundation 데이터 공개에는 무엇이 포함되어 있나요?

약 13개월간의 관측으로 1,900 제곱도의 하늘을覆盖: 약 1만 장의 과학 이미지, 10억 개 이상의 천체(9억 개 이상의 은하 포함) 카탈로그, 1억 6천만 개 이상의 소스에 대한 스펙트럼, 약 1만 5천 개의 강한 렌즈 후보, 그리고 6천만 개 이상의 퀘이사 후보. 총 약 170만 기가바이트에 달한다.

강한 중력렌즈란 무엇인가요?

거대한 전경 은하가 그 뒤에 있는 은하의 빛을 휘게 하여 배경 은하가 호, 고리 또는 여러 개의 복사본으로 나타날 때 형성됩니다. 빛이 휘는 정도는 전경 은하의 총 질량(암흑물질 포함)을 드러내며, 확대 효과로 인해 천문학자들은 그렇지 않으면 너무 희미할 배경 은하를 연구할 수 있습니다.

유클리드는 지금까지 얼마나 많은 은하를 매핑했나요?

이번 데이터 공개에는 9억 개 이상의 은하가 등재되어 있으며, 이는 계획된 관측 영역의 약 14%를覆盖한다. ESA는 전체 임무가 약 15억 개의 은하를 등재할 것으로 예상한다.

누구나 유클리드의 데이터를 사용할 수 있나요?

네. ESA는 데이터를 공개했으며 ESA의 유클리드 데이터 공간 플랫폼에서 호스팅하여 사용자가 다운로드하지 않고도 이미지, 카탈로그 및 스펙트럼을 탐색, 시각화 및 분석할 수 있다.

유클리드는 언제 암흑 에너지를 측정할 예정인가요?

이번 데이터 공개로는 측정하지 않습니다. ESA와 유클리드 컨소시엄은 약한 중력렌즈와 은하 군집을 기반으로 한 첫 번째 우주론 결과를 2027년 중반으로 예정된 전체 첫 번째 데이터 공개를 위해 계획하고 있다.

우주론 결과는 2027년 중반에 나올 예정

유클리드는 2023년 7월에 발사되어 2024년 2월 14일에 정기 관측 작업을 시작했다. 이번 데이터 공개의 관측은 2024년 봄과 2025년 봄 사이에 수집되었으며, ESA는 2026년 11월 12일에 이를 공개했다. 첫 번째 우주론 결과를 포함한 전체 DR1은 2027년 중반에 예정되어 있으며, 약 3배 더 넓은 하늘을 포함하는 DR2는 2029년으로 계획되어 있다.

첫 번째 강한 렌즈인 쌍둥이 퀘이사는 1979년에 확인되었다. 6년 관측 임무가 끝날 때까지 유클리드는 10만 개 이상의 신뢰도 높은 렌즈 후보를 발견할 것으로 예상되며, 각각은 은하의 암흑물질 무게를 재는 자연적인 저울 역할을 한다.

참고문헌: Euclid Collaboration: Lines et al., “Euclid Data Release 1 (DR1). Euclid Lens Identification Pipeline and Scientific Exploration (ECLIPSE) A: Strong lens catalogue overview,” submitted to Astronomy & Astrophysics, 2026. arXiv:2611.15883. DOI: 10.48550/arXiv.2611.15883

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