d라이브러리

태양을 비롯 1천억개의 별들이 모인 우리은하는 어떤 모습을 하고 있을까 ? 새로운 별들이 탄생하고 사라져가는 우리은하의 살아 움직이는 모습을 살펴보자.

우리은하는 우주에 있는 약 수백억개나 되는 많은 은하들 가운데 하나일 뿐이지만 그안에 살고있는 우리들에게는 매우 특별한 존재이다. 별들은 우주에 균일하게 분포돼 있지 않고 안드로메다은하와 같이 약 1천억개의 별들이 모여, 오늘날 우리가 '은하'라고 부르는 별들의 집단을 이루고 있다. 이러한 사실을 인식하기 오래전부터 우리은하의 모습을 알고자 인류는 여러 각도에서 노력해 왔다. 그러나 마치 숲속에 있는 사람이 전체 숲의 모습을 볼 수 없듯이, 우리은하 안에 살고 있는 우리들은 우리은하의 전체적인 모습을 볼 수 없다.

더욱이 우리가 친숙한 '빛', 정확하게는 가시광선에 주로 의존했던 과거의 천문학자들은 별과 별 사이의 먼지에 의해 일어나는 산란 및 흡수 때문에 은하 중심 부근을 볼 수 없었다. 우리가 우리은하의 전체적인 모습을 이해하기 시작한 것은 1950년대 이후 전파천문학의 발달과 더불어 이루어졌다. 또 최근 적외선 자외선 X선 및 감마선을 이용한 천문학의 발달은 우리은하에 관한 많은 새로운 사실들을 밝혀내고 있다. 가시광선을 비롯한 전파 적외선 자외선 X선 및 감마선은 모두 전자기파의 일종으로 단지 그들의 파장 혹은 에너지가 다를 뿐이다.

우리가 잘 알고 있듯이 지구의 대기는 우주로부터 오는 대부분의 적외선 자외선 X선 및 감마선을 차단해 우리가 지구에서 살 수 있게 해준다. 이것은 우리들에게는 매우 다행한 일이지만, 반면 우주로부터 오는 위와 같은 전자기파를 연구하려는 사람들은 지구대기 밖으로 나가야한다는 것을 의미하기도 한다. 따라서 적외선 자외선 X선 및 감마선을 이용한 천문학은 최근 인공위성의 발달로 비로소 활발한 연구가 가능해졌다. 이제부터 현재까지 알려진 우리은하의 모습에 관해 알아보자.

계란프라이 두개
 

우리은하를 이루고 있는 천체들 중 우리에게 가장 친숙한 것은 밤하늘에 빛나는 별들이다. 별들도 사람과 마찬가지로 태어나고 죽으며, 그 나이에 따라 분포가 다르다. 그러나 불빛이 없는 시골에서 여름 밤하늘을 화려하게 수놓는 은하수는 (사진 1)에서와 같이 레코드판과 같이 얇 원반 모양의 분포를 하고 있다. 이 원반의 반지름은 약 5만광년(1광년은 빛이 1년간 가는 거리로서 9조 5천억 km)이다. 두께는 원반 중심에서 약 3천광년이고 가장자리는 약 1천광년으로서, 그 모양이 마치 계란프라이 두개를 위아래로 겹쳐놓은 것과 같다. 우리가 살고있는 태양계는 은하중심으로부터 약 3만광년 떨어진 곳에 위치하고 있다.

이렇게 얇은 원반모양의 분포를 하고 있는 별들 중 탄생된 지 얼마안된 젊은 별들은 원반에 균일하게 분포돼 있는 것이 아니라, 마치 영어의 S자를 뒤집어 놓은 것과 같은 나선모양의 분포를 하고 있는 데 이것을 '나선팔' 이라고 부른다. 따라서 만약 다른 은하에 사는 외계인이 있어 우리은하를 본다면 13쪽의 사진(NGC2997)과 비슷하게 보일 것이며, 이러한 은하를 '나선은하'라고 부른다.

왜 대부분의 별들은 원반모양의 분포를 하는 것일까? 그 이유는 원반에 있는 별들이 은하중심을 중심으로 매우 빠른 속도로 원운동을 하고 있기 때문이다. 마치 돌을 실에 매달아 돌리면 돌은 원심력 때문에 멀리 날아가려고 하나 실에 매달려 있어 날아갈 수 없듯이, 별들도 은하중심으로부터 멀리 도망가려 하나 별의 궤도 안쪽에 있는 다른 별들을 포함한 모든 물질들의 중력 때문에 원반에서 원운동을 하게 된다. 예를 들어 지구를 포함한 태양계의 경우 초속 2백20km의 어마어마한 속도로 은하중심을 돌고 있으며 은하를 한바퀴 도는데 2억년이란 세월이 걸린다. 이렇게 빠른 속도로 지구가 움직이고 있지만, 우리는 마치 기차를 타고 가며 자기가 탄 기차가 가고 있는지 아니면 스쳐가는 기차가 가고 있는지를 모를 때가 있듯이 우리가 움직이고 있다는 사실을 전혀 느낄 수 없다.

원운동을 하고 있는 것은 별뿐만이 아니라 원반에 있는 모든 물질이다. 즉 은하 전체가 자전을 하고 있는 것이다. 은하의 자전은 우리가 어릴 때 놀던 팽이의 회전과는 다르다. 즉 팽이가 도는 것을 보면 중심으로부터의 거리에 관계없이 팽이 위의 한점이 한바퀴 돌아 제자리에 올 때 팽이 위에 있는 모든 다른 점들도 똑같이 한바퀴 돌아 제자리에 온다(만약 그렇지 않다면 팽이는 부서져 버릴 것이다). 그러나 은하의 경우는 중심에서 먼 별이 한바퀴 돌 때 가까운 별은 한바퀴 보다 더 많이 돈다. 예를 들어 우리 태양계가 한바퀴 돌 때 은하중심과 우리 태양계의 중간에 있는 별은 두바퀴 도는데, 그 이유는 각 별의 궤도 안쪽에 있는 모든 물질로 인해 발생하는 중력이 다르기 때문이다.

흥미로운 것은 은하의 자전으로부터 우리는 은하의 질량을 계산할 수 있는데, 그 질량이 우리가 볼 수 있는 모든 물질을 합한 것보다 훨씬 크다는 것이다. 즉 우리은하 안에는 우리가 볼 수 없는 '숨은 질량'(missing mass)이 있는 것이다. 과연 '숨은 질량'은 무엇으로 되어 있을까? 이것을 소위 '숨은 질량 문제'라고 부르는데, 현대천문학의 풀리지 않은 가장 중요한 문제중의 하나다.
 

은하가 부서지지 않는 이유
 

별과 별 사이의 광활한 공간은 지상의 실험실에서 얻을 수 있는 그 어떠한 진공상태 보다도 더 희박하지만 실제로는 성간물질이라고 불리는 가스와 먼지로 가득 차 있다. 이곳은 또한 별이 태어나는 곳이기도 하다. (사진2)는 1983년에 발사되었던 인공위성 IRAS (Infrared Astronomical Satellite )가 얻은 적외선 사진으로서, 우리은하 안에 있는 먼지가 아주 얇은 원반모양으로 분포하고 있음을 보여준다. 성간물질의 거의 대부분은 수소원자와 수소분자이나, 일산화탄소 물 암모니아 및 알코올을 비롯한 약 1백여종의 분자가 존재하고 있는 것도 알려져 있다.

성간물질에 관한 본격적인 연구는 1950년대 이후 전파천문학의 발달과 더불어 시작되었다. 전파천문학은 우주로부터 오는 전파를 TV방송국에서 볼 수 있는 접시모양의 안테나와 비슷한 전파망원경을 이용해 관측연구하는 학문이다. (사진3)은 미국 국립전파천문대에 있는 총 27개의 지름 14m 전파망원경으로 구성된 VLA(Very Large Array )라고 불리우는 전파간섭계의 모습이다. 이러한 전파망원경을 이용해 각 원자 및 분자가 방출하는 고유의 전파를 관측연구함으로써 우리는 성간물질의 특성을 알 수 있는 데, 특히 수소원자가 방출하는 파장 21cm인 전파와 일산화탄소가 방출하는 파장 2.6mm인 전파는 우리은하의 모습을 이해하는 데 중요한 역할을 하고 있다.
 

성간에 없는 수소분자는 대부분 마치 지상의 구름과 같이 덩어리로 모여져 있는데, 이러한 분자 구름은 온도가 절대온도 10도 정도로 매우 낮다. 그 크기는 1백광년이 넘고 태양의 10만배보다 무거운 거대한 분자구름도 많다. 대부분의 별들은 이러한 거대한 분자구름으로부터 탄생된다. 아직 분자구름으로부터 별이 탄생되기까지의 자세한 과정은 밝혀지지 않았으나, 최근에 진행된 전파 및 적외선 관측과 이론연구에 따르면 분자구름이 내부 혹은 외부로부터 영향을 받아 밀도가 높은 덩어리들이 생기고 그 덩어리들이 중력에 의해 수축을 하게 되어 어느 순간에는 핵융합 반응이 가능한 온도에 도달함으로써 별이 탄생된다고 한다. 별이 최근에 탄생한 대표적인 예로는 우리에게 잘 알려진 오리온성운이 있으며, 오리온성운이 있는 분자 구름에서는 지금도 별들이 태어나고 있다. (사진4)는 오리온성운의 모습으로서 젊은 별들이 내는 자외선에 의해 주변의 수소가스가 전자와 양자로 전리돼 온도가 약 1만도의 뜨거운 가스로 변한 모습을 보여주고 있다.

1970년대 이후의 전파관측에 의해 거대한 분자구름들은 나선팔을 따라 분포하고 있는 것이 밝혀졌다. 따라서 이러한 분자구름들로 부터 탄생된 젊은 별들도 나선팔을 따라 분포하고 있는 것은 당연한 일이다. 흥미로운 것은 앞에서 지적했듯이 은하의 자전이 팽이의 회전과 달라 중심으로부터 가까울수록 더 빨리 제자리로 되돌아 온다는 것이다. 따라서 만약 나선팔이 몇 바퀴 돌면 그 모양이 부서져 버릴 것이 예상된다.

우리은하의 나이가 1백억년 이상인 것을 생각하면 현재에도 나선팔을 갖고 있다는 것은 흥미로운 일이 아닐 수 없다. 이러한 의문에 대한 해답은 1960년대 천문학자 린(Lin )박사와 수(Shu)박사가 나선팔은 항상 똑같은 물질로 이루어진 것이 아니라 소리와 같은 일종의 파동현상이라는 이론을 제안함으로써 그 수수께끼가 풀렸다. 중간에 공사를 하고 있는 고속도로를 생각해보자. 공사를 하는 구간에서는 차들은 천천히 가게 되고 따라서 공사구간에서는 차가 밀집된다. 그러나 차들은 결국 빠져나가며, 순간순간 공사구간에 밀집돼 있는 차들은 이전과는 다른 차들이다. 이와 마찬가지로 나선팔에는 별과 가스가 항상 밀집돼 있으나 각각의 별과 가스들은 나선팔에서 천천히 움직일 뿐 결국은 빠져 나가게 된다. 따라서 나선팔 형태는 은하의 자전으로 인하여 부서지지 않고 유지될 수 있다.
 

에너지를 교환하며 진화한다
 

밤 하늘에 보이는 우리은하는 우리가 어릴때 빛나던 별이 오늘도 똑같은 자리에서 빛나고 있듯이 고요하게 보이지만, 실제로는 곳곳에서 격렬한 변화가 일어나고 있다. 1970년대의 코페르니쿠스 인공위성과 1980년대의 lUE(International Ultraviolet Explorer)인공위성을 이용한 자외선관측과 1980년대 이후의 VLA를 이용한 전파관측은 젊은 별들이 초속 1천5백km가 넘는 빠른 속도의 '항성풍'이라고 불리는 바람을 내뿜고 있다는 것을 밝혀냈다. 이러한 항성풍은 주변의 가스를 빠른 속도로 가속시킴으로써 별이 성간물질로부터 태어나면서 빼앗았던 에너지를 되돌려 주며, 또한 별의 내부에서 만들어진 무거운 원소들을 성간물질에게 공급한다. (사진 5)는 '장미성운'으로서 오리온성운과 마찬가지로 젊은 별들이 내는 자외선에 의해 전리된 주변가스의 모습을 보여주고 있다. 가운데에 있는 구멍은 바로 항성풍 때문에 생겨난 것이다. 은하는 이렇게 별과 성간물질이 서로 에너지와 물질을 교환하며 진화하고 있는 것이다.

별이 성간물질에 에너지를 되돌려 주는 방법 가운데, 가장 격렬한 현상은 '초신성폭발'이다. 별들 중 태양보다 약 8배 이상 무거운 별들은 별 내부의 연료가 다 타게 되면 중심부분만 남기고 폭발하게 되는데, 이것을 초신성폭발이라 부르며 막대한 에너지를 주위에 내뿜는다. 이 경우 주변에 있는 가스는 초기에 약 1백만℃ 가까이 가열되며 초속 5천 km 이상의 매우 빠른 속도로 가속되나 시간이 흐를수록 속도가 더디어지며 식는다.
 

한편 별의 중심부분은 반지름이 약 10 km이고 매우 빠른 속도로 자전하는 펄사라는 별로 변한다. (사진 6)은 1054년에 폭발한 초신성의 잔해로서 '게성운'이라고 불린다. 빛의 속도에 가까운 상대론적속도로 움직이며 자기장 주위를 돌고 있는 전자들이 방출하는 전파를 보여주고 있다. 게성운 안에는 1초에 30바퀴를 도는 펄사가 있다. 이와같은 초신성폭발은 두별이 서로를 돌고 있는 연성의 경우에도 가능한데, (사진 7)은 그러한 초신성폭발로서 생성되었다고 믿어지는 카시오페이아 A라고 불리는 초신성잔해로서, 우리은하 안에서 알려진 초신성폭발중 가장 최근, 즉 3백년전의 폭발로 생성되었다. 사진에서 보이는 고리와 같은 구조는 현재 초속 9천 km로 팽창하고 있다. 현재 우리 은하안에는 이러한 초신성잔해가 1백50여개 알려져 있다.

만약 우리은하 곳곳에서 이와 같은 초신성 폭발이 자주 일어나고 있다면 우리은하는 뜨거운 가스의 터널이 곳곳에 뚫려 있을지도 모른다. 반면 초신성폭발이 가끔 일어나고 있다면 우리은하의 대부분은 비교적 조용한 상태로 있을 것이다. 우리은하에 뜨거운 가스가 얼마나 어떻게 분포하고 있는지는 아직 밝혀지지 않았다.
 

궁수A의 비밀

우리은하 안에서 가장 격렬한 변화를 보이고 있는 곳은 은하의 중심부근이다. (사진8)은 은하중심 부근의 전파사진으로서 상대론적(빛의 속도에 가까운 속도로 움직인다는 뜻) 전자들이 아주 가늘고 긴 활모양으로 분포하고 있음을 보여준다. 그림에서 오른쪽 밑에 있는 밝은 천체가 바로 우리은하의 중심이다. 이곳에는 크기가 50광년이고 초속 1백10km로 회전하고 있는 분자고리가 있으며, 이 분자고리의 안쪽에는 뜨거운 전리된 가스가 복잡한 구조를 가지고 있다. 또한 이곳에서는 매우 에너지가 높은 X선 감마선도 관측됐다. 특히 전자와 양전자의 결합에서 방출되는 감마전이 발견됨으로써 이 지역에서 전자-양전자쌍을 만들 수 있는 격렬한 현상이 일어나고 있다는 것을 밝혀냈다. 이러한 모든 현상의 중심부근에 '궁수 A' (Sagittarius A)라고 불리는 미지의 천체가 있다. 궁수 A는 강한 전파를 내며 그 크기가 10억 km보다 작아 현대천문학의 수준으로는 그 구조를 볼 수가 없다(은하중심까지의 거리가 3만광년인 것을 생각하면 궁수 A의 모습을 보고자하는 것은 마치 서울에 있는 사람이 부산에 있는 작은 개미 한마리의 모습을 보고자 하는 것과 같다). 특이한 점은 궁수 A는 이 지역의 모든 가스가 빠른 속도로 움직이는데 반해 거의 움직이지 않는다는 것이다. 이 사실은 궁수 A가 매우 무거운 천체임을 나타낸다. 실제로 많은 천문학자들은 위와 같은 여러 현상의 에너지원이 궁수 A이며, 궁수 A는 태양보다 1백만배나 무거운 '검은 구멍'(black hole)일 것이라고 믿고 있다. 하지만 은하의 중심에 '검은 구멍'이 있는 지는 아직 밝혀지지 않았다.

이상에서 간략하게 살펴본 바와 같이 1950년대 이후의 전파 적외선 자외선 X선 및 감마선을 이용한 천문학은 우리은하에 관한 많은 새로운 사실들을 밝혀냈다. 하지만 그러한 새로운 사실들에 못지않게 또한 많은 새로운 문제들도 던져주었다. 즉 "별은 어떻게 만들어지는 것일까?" "우리은하에 뜨거운 가스의 터널들은 있는 것일까?" "우리은하의 중심에 '검은 구멍'은 있는 것일까?" "우리에게 보이지 않는 '숨은 질량'은 무엇으로 되어있는 것일까? " … 이러한 의문들이 가까운 미래에 풀려지기를 바란다.