32억 화소 카메라인 루빈 천문대, 단 한 장의 사진에 50만 개 은하를 담다
사진 한 장 속에 담긴 50만 개의 은하.
7월 31일, 칠레에 위치한 베라 C. 루빈 천문대(Vera C. Rubin Observatory)가 첫 번째 과학 영상을 공개했다. COSMOS라 불리는 천구 영역에 50만 개가 넘는 은하와 5만 개의 별이 밀집한 딥필드(Deep Field) 사진이다. 이 장엄한 우주 풍경을 촬영한 장비는 세계 최대 크기의 디지털 카메라로, 32억 화소에 무게만 3톤에 달해 소형 승용차보다 크다.
본격적인 설명에 앞서 비교를 해보자. 흔히 사용하는 최신 스마트폰 카메라의 해상도는 약 5000만 화소 수준이다. 루빈 카메라의 화소 수는 이보다 64배 높다. 카메라가 한 번의 노출로 담아내는 하늘의 면적은 보름달 40개를 옆으로 배열한 것과 같다. 이 사진을 원본 해상도로 온전히 감상하려면 4K TV 380대 이상을 연결해야 한다.
허블이 20년 동안 관측한 영역을 단번에 주사하다
육분의자리 방향에 위치한 COSMOS 영역은 천문학계에서 가장 유명한 관측 구역 중 하나다. 우리은하의 원반면을 비껴가기 때문에 전경의 별과 성간 먼지가 적어 우주 깊은 곳까지 선명하게 관측할 수 있는 장점이 있다. 허블 우주망원경이 2003년부터 20년 이상 집중 연구해 왔으며, 전 세계 최고 성능의 망원경들이 라디오파부터 X선까지 다양한 파장대로 관측을 이어온 곳이다.
루빈 천문대는 이번 관측에서 수백 회의 관측 데이터를 중첩하여 단 한 장의 심공 사진으로 합성해 냈고, 한 번에 50만 개의 은하를 드러냈다.
사진: 루빈 천문대가 촬영한 COSMOS 영역 딥필드 영상. 화면에 빽빽하게 찬 빛의 점들은 대부분 별이 아니라 수많은 은하다. 출처: Rubin Observatory / NOIRLab
50만 개라는 숫자는 어느 정도의 규모일까? 일반적인 은하 하나에는 수천억 개의 별이 존재한다. 즉, 이 사진에서 간신히 식별되는 작은 점 하나조차 수천억 개의 별이 한데 모여 있는 은하다. 영상 속에서는 나선은하의 소용돌이 팔, 매끄러운 타원은하, 서로 충돌하며 뒤틀리는 병합 은하, 그리고 초기 우주에서 날아온 붉은빛의 먼 은하까지 관찰할 수 있다.
사진: 딥필드 영상에서 선별한 은하 확대 이미지. 나선은하, 타원은하 및 병합 은하의 구조가 선명하다. 출처: Rubin Observatory / NOIRLab
객관적인 비교도 필요하다. 단일 촬영의 깊이, 즉 극도로 어두운 천체를 포착하는 능력 면에서는 허블 망원경이 여전히 앞선다. 반면 루빈 카메라의 강점은 넓은 시야와 빠른 촬영 속도다. 루빈 카메라의 촬영 면적은 허블 주 카메라의 100배가 넘으며, 동일한 하늘을 주기적으로 반복 촬영한다. 한 쪽이 깊게 파고든다면 다른 한 쪽은 넓게 주사하는 셈으로, 두 망원경은 완벽한 상호보완 관계를 이룬다.
왜 3톤짜리 거대 카메라를 만들었을까
이유는 천문대의 이름에 나와 있다. 천문대는 1970~80년대 나선은하 외곽 별들의 회전 속도가 예상보다 빠르다는 사실을 발견한 천문학자 베라 루빈(Vera Rubin)의 이름을 땄다. 그녀는 가시적인 물질의 질량만으로는 별들을 잡아둘 수 없다고 판단하고, 우주에 눈에 보이지 않는 물질, 즉 암흑물질이 존재한다는 결론을 내렸다. 오늘날 암흑물질은 우주 물질 총량의 약 85%를 차지하는 것으로 추정되지만, 그 실체는 여전히 베일에 싸여 있다.
암흑물질의 증거는 관측에서 비롯되지만, 이를 검증하고 측정하려면 광범위한 우주를 오랫동안 관측해야 한다. 루빈 천문대의 핵심 임무는 ‘시공간 유산 탐사(LSST)‘다. 10년에 걸쳐 남반구 하늘 전체를 3~4일 간격으로 반복 촬영하여 우주의 10년짜리 타임랩스 영화를 제작하는 프로젝트다. 센서 노이즈를 극소화하기 위해 카메라는 영하 100도로 냉각되며, 전면에는 지름 1.5m의 렌즈와 6개의 컬러 필터가 교대로 작동한다. 15초 노출로 매일 밤 맑은 하늘 아래 수천 장의 사진을 촬영한다.
이 카메라는 칠레 북부 해발 2,682m의 세로 파촌(Cerro Pachón)에 위치한 8.4m 구경의 탐사 망원경에 설치되었다. 이곳은 연간 약 300일 동안 맑은 날씨가 유지되고 공기가 건조해 세계에서 탐사 관측에 가장 적합한 장소 중 하나다.
사진: COSMOS 영역에서 LSST 카메라의 반복 관측 영역을 중첩 표시한 궤적. 동일한 하늘을 반복 촬영해야 천체의 시간적 변화를 포착할 수 있다. 출처: Rubin Observatory / NOIRLab
이 타임랩스 영화의 활용 분야는 암흑물질에 국한되지 않는다:
- 암흑에너지. 우주는 가속 팽창하고 있다. 무엇이 우주를 밀어내고 있을까? 그 해답은 수십억 개 은하의 위치와 모양 변화 속에 숨어 있다.
- 소행성 조기 경보. 10년 동안 약 620만 개의 소행성을 발견할 것으로 예상되며, 지름 140m 이상의 잠재적 위협 천체 대부분을 사전에 포착할 수 있다. 지구 방위의 첫걸음은 위협의 위치를 파악하는 것이다.
- 초신성 등 일시적 천체 현상. 별의 폭발이나 블랙홀이 별을 파괴하는 일시적인 현상들은 과거에 실시간 감시 체계 부족으로 놓치는 경우가 많았다.
- 우리은하 구조 연구. 우리은하 내 수십억 개의 별을 전수 조사하여 지도를 작성한다.
이번 발표는 데이터의 일부에 불과하다. 이번 EDP2 데이터는 남반구 가시 하늘의 6분의 1에 해당하는 약 3000 제곱도를 포함한다. 50만 개 은하는 시작일 뿐이며, 10년 동안 LSST는 약 200억 개의 천체를 기록할 예정이다.
천문학, 데이터 과학의 시대로 진입하다
데이터 양을 살펴보자. 이 카메라는 매일 밤 약 20TB의 데이터를 생성한다. 이는 고화질 영화 수천 편에 달하는 분량이다. 10년 동안 누적되면 200억 개 천체의 광도 변화를 담은 페타바이트(PB)급 데이터베이스가 구축된다.
이 정도 규모의 데이터는 인간의 눈으로 직접 처리할 수 없다. 과거 천문학자들은 사진 판을 직접 검토했지만, 매일 밤 20TB가 쏟아지는 환경에서는 불가능하다. 천체 분류, 이상 징후 감지, 초신성 알림 등은 자동화된 알고리즘에 의존해야 한다. 이에 따라 천문학자의 업무는 머신러닝 모델 학습, 이상 데이터 검증, 데이터 파이프라인 설계로 변화하고 있다. 루빈 팀은 이번 데이터 공개를 통해 전 과정의 데이터 처리 파이프라인을 점검하고 과학계가 도구를 사전 검증할 수 있도록 지원했다.
일반 대중에게 데이터 폭증은 두 가지 의미를 갖는다. 첫째, 지구를 위협하는 소행성에 대한 조기 경보 능력이 대폭 향상된다. 둘째, 루빈 천문대의 데이터 정책에 따라 2년간의 전유 기간이 지나면 데이터가 대중에 공개되어 누구나 집에서 200억 개 천체 목록에 접근할 수 있게 된다. 천문 데이터가 특정 기관의 소유물에서 인류 공동의 자산으로 변모하는 순간이다.
20년의 난관을 넘어 결실을 맺다
이 프로젝트의 여정은 순탄하지 않았다. 입안부터 첫 결과물이 나오기까지 20년 이상 걸렸으며, 예산은 초기 추정치의 두 배 이상으로 늘어났고, 사업 연기 및 프로젝트 취소 논의까지 거쳤다. 이번 50만 은하 사진은 수많은 검토와 논쟁, 기술적 난관을 극복한 결실이다.
이 사진은 칠레 국민에게 전달하는 선물이기도 하다. 공개 당일 루빈 팀은 최근 심각한 폭풍우 피해를 입은 코킴보(Coquimbo) 지역 주민들에게 이 영상을 헌정했다. 안데스 산맥의 고원은 수십 년 동안 인류 최첨단 천문 관측을 묵묵히 지원해 왔다.
50만 개의 은하는 서막에 불과하다. 향후 10년 동안 3톤 무게의 카메라는 맑은 밤마다 우주의 변화를 기록해 나갈 것이다. 관측 가능한 우주 전체의 타임랩스를 제작하는 시대가 마침내 시작되었다.
참고 링크:
- 루빈 천문대 뉴스: Rubin Observatory’s first LSST Camera release
- HN 토론 (item?id=49183079)
- SLAC 보도자료: DOE-NSF Rubin Observatory opens a deep window on a famous cosmic field
- Phys.org 보도: Rubin Observatory opens a deep window on a famous cosmic field
