SPICE-RACS 팀을 이끈 알렉 톰슨 박사(SKAO 커미셔닝 과학자)를 비롯한 국제 연구진의 이번 성과는 천문학 저널 Publications of the Astronomical Society of Australia에 게재가 승인되었습니다 .

ASKAP 전파 망원경과 패러데이 회전, 어떻게 지도를 그렸나

이 지도는 서호주 와자리 야마지 원주민 땅에 자리한 ‘이냐리마냐 일가리 분다라(CSIRO 머치슨 전파 천문대)’에서 운영 중인 호주의 스퀘어 킬로미터 어레이 패스파인더(ASKAP) 전파 망원경의 데이터를 바탕으로 만들어졌습니다 .

ASKAP의 특별한 능력

ASKAP은 기존 전파 망원경과 달리 넓은 시야각과 접시 회전 시스템을 갖추고 있어, 밤하늘의 방대한 영역을 빠르고 깊게 탐사할 수 있는 독보적인 성능을 자랑합니다 . 연구팀은 ASKAP이 진행한 ‘ASKAP 신속 연속 관측(RACS)’ 프로젝트의 세 번째 저대역 관측 데이터(RACS-low3, 중심 주파수 887.5MHz)를 분석에 활용했습니다 .

우주 자기장을 보는 눈, ‘패러데이 회전’

ASKAP의 진짜 힘은 패러데이 회전(Faraday Rotation) 효과를 정밀하게 측정할 수 있다는 데 있습니다 . 멀리 떨어진 은하에서 출발한 선형 편광된 전파가 자기장을 띤 플라스마를 통과하면, 전파의 편광면이 자기장의 세기와 전자 밀도에 비례해 살짝 비틀립니다. 이때 비틀린 정도를 수치로 나타낸 것이 바로 패러데이 회전 측정값(Rotation Measure, RM) 입니다 .

연구팀은 ASKAP이 탐지한 약 400만 개의 은하에서 이 RM 값을 하나하나 측정해, 마치 수백만 개의 ‘나침반’을 하늘에 촘촘히 박아 넣은 것처럼 우주 자기장의 방향과 상대적 세기를 역추적했습니다 . 이렇게 얻은 데이터셋은 기존 연구보다 40배나 방대한 규모로, 평균 제곱도당 약 7개의 RM 값을 확보했으며 중앙값 오차는 불과 2.2 rad/m²에 지나지 않을 정도로 정밀합니다 .

지도가 드러낸 숨겨진 우주의 비밀

SPICE-RACS 지도는 지금껏 누구도 보지 못했던 우주 자기장의 미세한 구조를 낱낱이 보여줍니다 .

• 은하계 자기장 필라멘트: 북반구와 남반구 은하극 전역에서 거대한 선형의 실처럼 뻗어나간 자기장 구조가 최초로 포착됐습니다. 이는 마치 우주 공간에 촘촘히 그물망처럼 펼쳐져 있는 중성 수소 및 성간 먼지 구조와 매우 흡사한 형태입니다 .
• 은하면을 따라 나타난 ‘지퍼’ 같은 RM 패턴: 우리 은하 중심부(경도 60°-270°) 인근에서 은하면을 기준으로 상하가 대칭을 이루며 규칙적으로 반전되는 RM 패턴이 확인됐습니다. 이는 은하의 막대 구조나 중심부가 만든 독특한 자기장 흔적일 가능성이 큽니다 .
• 초신성 잔해의 자기장 고리: 과거 감지됐던 G353-34 영역의 양의 RM 고리가 지도에서 뚜렷하게 그 모습을 드러냈습니다 .
• 마젤란 은하와의 상호작용: 우리 은하와 대·소 마젤란 은하가 서로 중력으로 춤추는 과정에서 얽혀드는 자기장의 전반적인 맥락을 한눈에 파악할 수 있게 됐습니다 .

지난 20년을 단숨에 뛰어넘다

SKAO 수석 과학자 나오미 맥클루어-그리피스 교수는 **“지난 20년 동안 천문학자들은 근본적으로 같은 데이터셋을 붙들고 연구해 왔고, 심지어 그마저도 남쪽 하늘은 제대로 담지 못했다”**고 지적했습니다 .

SPICE-RACS DR2는 모든 면에서 이전과 비교할 수 없는 도약입니다:

• 5배 더 넓은 하늘 커버리지: 기존 지도들의 총합을 훌쩍 넘어섰습니다 .
• 약 40배 많은 탐지원: 이전 RM 카탈로그가 약 10만 개였다면, 이번에는 약 400만 개의 은하 데이터를 확보했습니다 .
• 최초의 완전한 남반구 하늘 데이터: 남극점에서 적위 +30°까지, 남쪽 하늘 전체를 처음으로 빈틈없이 채웠습니다 .
• 광대역 RM 정밀도: 기존의 협대역 관측이 만들어냈던 패러데이 복잡성의 모호함을 확실히 해소했습니다 .

POSSUM과 SKA, 이제 시작일 뿐

SPICE-RACS는 우주 자성 연구를 위한 전천 편파 탐사 프로젝트(POSSUM) 의 초기 성과물입니다 .

가까운 미래에 ASKAP은 더욱 깊이 있는 추가 관측을 통해 더 정밀한 지도를 지속적으로 생산할 예정이며, 더 넓은 주파수 대역과 향상된 감도를 더할 계획입니다 .

더 먼 미래에, 2020년대 후반부터 본격 가동될 스퀘어 킬로미터 어레이(SKA) 전파 망원경은 우주 거대 구조의 자기장을 지금보다 훨씬 더 세밀하게 추적할 것입니다 . SKA의 고감도 1-10GHz 관측은 은하 원반과 중심부, 은하단 유물에 존재하는 자기장을 전례 없는 해상도로 들여다보게 될 것입니다 . 특히 ASKAP이 자리한 서호주 부지는 SKA-Low(저주파 SKA 망원경)가 함께 건설되고 있는 곳이기도 합니다 .

우주를 이해하는 새로운 패러다임

이번 지도는 ‘우주의 자기장이 언제, 어떻게 생겨났는가’라는 인류의 근본적인 질문에 닿기 위한 첫걸음입니다. 자기장은 은하가 어떻게 성장하고 물질이 어떻게 우주를 떠도는지, 수십억 년에 걸친 우주의 진화를 좌우하는 핵심 요소입니다 .

연구팀은 이미 이 데이터를 활용해 약 100억 년 전(z~1) 은하를 감싼 자기화된 가스가 어떻게 별의 탄생을 조절하는지 분석한 후속 논문을 발표하기도 했습니다 . 데이터는 CSIRO의 공개 포털을 통해 전 세계 과학자들이 자유롭게 활용할 수 있습니다 .

맥클루어-그리피스 교수는 “언젠가 이런 질문에 답할 수 있을 거라고는 상상도 못 했다”고 말했습니다. 이제 그 상상은 현실이 되어 가고 있습니다 .

SPICE-RACS 팀을 이끈 알렉 톰슨 박사(SKAO 커미셔닝 과학자)를 비롯한 국제 연구진의 이번 성과는 천문학 저널 Publications of the Astronomical Society of Australia에 게재가 승인되었습니다 .

ASKAP 전파 망원경과 패러데이 회전, 어떻게 지도를 그렸나

이 지도는 서호주 와자리 야마지 원주민 땅에 자리한 ‘이냐리마냐 일가리 분다라(CSIRO 머치슨 전파 천문대)’에서 운영 중인 호주의 스퀘어 킬로미터 어레이 패스파인더(ASKAP) 전파 망원경의 데이터를 바탕으로 만들어졌습니다 .

ASKAP의 특별한 능력

ASKAP은 기존 전파 망원경과 달리 넓은 시야각과 접시 회전 시스템을 갖추고 있어, 밤하늘의 방대한 영역을 빠르고 깊게 탐사할 수 있는 독보적인 성능을 자랑합니다 . 연구팀은 ASKAP이 진행한 ‘ASKAP 신속 연속 관측(RACS)’ 프로젝트의 세 번째 저대역 관측 데이터(RACS-low3, 중심 주파수 887.5MHz)를 분석에 활용했습니다 .

우주 자기장을 보는 눈, ‘패러데이 회전’

ASKAP의 진짜 힘은 패러데이 회전(Faraday Rotation) 효과를 정밀하게 측정할 수 있다는 데 있습니다 . 멀리 떨어진 은하에서 출발한 선형 편광된 전파가 자기장을 띤 플라스마를 통과하면, 전파의 편광면이 자기장의 세기와 전자 밀도에 비례해 살짝 비틀립니다. 이때 비틀린 정도를 수치로 나타낸 것이 바로 패러데이 회전 측정값(Rotation Measure, RM) 입니다 .

연구팀은 ASKAP이 탐지한 약 400만 개의 은하에서 이 RM 값을 하나하나 측정해, 마치 수백만 개의 ‘나침반’을 하늘에 촘촘히 박아 넣은 것처럼 우주 자기장의 방향과 상대적 세기를 역추적했습니다 . 이렇게 얻은 데이터셋은 기존 연구보다 40배나 방대한 규모로, 평균 제곱도당 약 7개의 RM 값을 확보했으며 중앙값 오차는 불과 2.2 rad/m²에 지나지 않을 정도로 정밀합니다 .

지도가 드러낸 숨겨진 우주의 비밀

SPICE-RACS 지도는 지금껏 누구도 보지 못했던 우주 자기장의 미세한 구조를 낱낱이 보여줍니다 .

• 은하계 자기장 필라멘트: 북반구와 남반구 은하극 전역에서 거대한 선형의 실처럼 뻗어나간 자기장 구조가 최초로 포착됐습니다. 이는 마치 우주 공간에 촘촘히 그물망처럼 펼쳐져 있는 중성 수소 및 성간 먼지 구조와 매우 흡사한 형태입니다 .
• 은하면을 따라 나타난 ‘지퍼’ 같은 RM 패턴: 우리 은하 중심부(경도 60°-270°) 인근에서 은하면을 기준으로 상하가 대칭을 이루며 규칙적으로 반전되는 RM 패턴이 확인됐습니다. 이는 은하의 막대 구조나 중심부가 만든 독특한 자기장 흔적일 가능성이 큽니다 .
• 초신성 잔해의 자기장 고리: 과거 감지됐던 G353-34 영역의 양의 RM 고리가 지도에서 뚜렷하게 그 모습을 드러냈습니다 .
• 마젤란 은하와의 상호작용: 우리 은하와 대·소 마젤란 은하가 서로 중력으로 춤추는 과정에서 얽혀드는 자기장의 전반적인 맥락을 한눈에 파악할 수 있게 됐습니다 .

지난 20년을 단숨에 뛰어넘다

SKAO 수석 과학자 나오미 맥클루어-그리피스 교수는 **“지난 20년 동안 천문학자들은 근본적으로 같은 데이터셋을 붙들고 연구해 왔고, 심지어 그마저도 남쪽 하늘은 제대로 담지 못했다”**고 지적했습니다 .

SPICE-RACS DR2는 모든 면에서 이전과 비교할 수 없는 도약입니다:

• 5배 더 넓은 하늘 커버리지: 기존 지도들의 총합을 훌쩍 넘어섰습니다 .
• 약 40배 많은 탐지원: 이전 RM 카탈로그가 약 10만 개였다면, 이번에는 약 400만 개의 은하 데이터를 확보했습니다 .
• 최초의 완전한 남반구 하늘 데이터: 남극점에서 적위 +30°까지, 남쪽 하늘 전체를 처음으로 빈틈없이 채웠습니다 .
• 광대역 RM 정밀도: 기존의 협대역 관측이 만들어냈던 패러데이 복잡성의 모호함을 확실히 해소했습니다 .

POSSUM과 SKA, 이제 시작일 뿐

SPICE-RACS는 우주 자성 연구를 위한 전천 편파 탐사 프로젝트(POSSUM) 의 초기 성과물입니다 .

가까운 미래에 ASKAP은 더욱 깊이 있는 추가 관측을 통해 더 정밀한 지도를 지속적으로 생산할 예정이며, 더 넓은 주파수 대역과 향상된 감도를 더할 계획입니다 .

더 먼 미래에, 2020년대 후반부터 본격 가동될 스퀘어 킬로미터 어레이(SKA) 전파 망원경은 우주 거대 구조의 자기장을 지금보다 훨씬 더 세밀하게 추적할 것입니다 . SKA의 고감도 1-10GHz 관측은 은하 원반과 중심부, 은하단 유물에 존재하는 자기장을 전례 없는 해상도로 들여다보게 될 것입니다 . 특히 ASKAP이 자리한 서호주 부지는 SKA-Low(저주파 SKA 망원경)가 함께 건설되고 있는 곳이기도 합니다 .

우주를 이해하는 새로운 패러다임

이번 지도는 ‘우주의 자기장이 언제, 어떻게 생겨났는가’라는 인류의 근본적인 질문에 닿기 위한 첫걸음입니다. 자기장은 은하가 어떻게 성장하고 물질이 어떻게 우주를 떠도는지, 수십억 년에 걸친 우주의 진화를 좌우하는 핵심 요소입니다 .

연구팀은 이미 이 데이터를 활용해 약 100억 년 전(z~1) 은하를 감싼 자기화된 가스가 어떻게 별의 탄생을 조절하는지 분석한 후속 논문을 발표하기도 했습니다 . 데이터는 CSIRO의 공개 포털을 통해 전 세계 과학자들이 자유롭게 활용할 수 있습니다 .

맥클루어-그리피스 교수는 “언젠가 이런 질문에 답할 수 있을 거라고는 상상도 못 했다”고 말했습니다. 이제 그 상상은 현실이 되어 가고 있습니다 .