우리 은하의 참모습
1920년대 중반에 천문학계와 학자들은 우리가 사는 은하가 우주에 셀 수 없이 많은 여러 은하들 중
하나에 불과함을 알게 됐을 정도로 인류가 우주의 모습에 대해서 어느 정도 알게 된 것은 최근의 일입니다.
과학과 기술의 발전으로 우주의 깊은 곳까지 들여다 볼 수 있게 된 것이죠.
이제는 태양계를 벗어나 우리 은하 뿐만 아니라 우주의 전체 모습을 어느 정도 그려낼 수 있습니다.
이 일은 아주 흥미롭고 신비롭기까지 하죠.
그러면 지금까지 밝혀진 우리 은하의 참모습을 한번 살펴 볼까요?
우주에는 약 1,000억 개의 은하가 있는데요,
타원형 은하, 나선형 은하, 렌즈형 은하, 불규칙 은하, 전파 은하 등 다양한 모습을 하고 있습니다.
그 중에 우리 은하는 나선형 은하이면서 중심에 막대 모양을 한 ‘막대 나선 은하’입니다.
은하 중심에 ‘막대’가 있다는 것은 1990년대 초에 와서야 비로소 알 게 된 사실이죠.
은하는 별, 가스, 띠끌(먼지)로 이루어져 있죠.
우리 은하에는 약 4,000억 개의 별(항성)이 있는데요, 그런대로 상당히 규모있는 은하라고 할 수 있습니다.
가스는 수소와 헬륨으로 이루어져 있고요, 띠끌은 얼음, 규산염, 흑연 성분 등으로 구성되어 있습니다.
가스는 기체지만, 띠끌은 아주 작은 고체 입자라는 차이가 있죠.
우리 은하는 크게 중앙 팽대부와 원반으로 구성되어 있는데요,
중앙 팽대부에는 막대가 있고 원반은 나선팔로 이루어져 있습니다.
중앙 팽대부는 별이 빽빽하게 모여있는 곳으로 은하의 중심에 아주 밝게 불룩하게 부풀어 오른 부분입니다.
가로 길이가 2만 2,800광년 정도 되는데요, 태양보다 50억 배 이상 밝고 200억 배 이상 무겁습니다.
이 팽대부를 끼고 가로지르는 기다란 막대가 있는데 이 막대의 길이는 2만 8,700광년 정도 됩니다.
은하의 중심에 막대가 있기 때문에 우리 은하는 ‘막대 나선 은하’라고 합니다.
그리고 중앙 팽대부 안쪽 은하 중심에는 태양의 410만 배라는 엄청난 질량을 가진
블랙홀 ‘궁수자리 A*'가 있습니다.
은하가 이루어지기 위해서는 중심에 이런 엄청난 질량을 가진 블랙홀이 있어야 한다는 것은 알고 계시죠.
팽대부의 별들은 원반 별들과 같은 방향으로 은하 중심을 공전합니다.
이곳은 늙은 별과 젊은 별이 공존하는데요, 은하 중심에서 약 450광년 거리에 있는
거대성단 ‘궁수자리 B2’에는 아기 별들이 엄청난 속도로 태어난다고 합니다.
다음은 얇은 원반입니다.
우리 은하의 원반은 나선팔로 이루어져 있는데요, 나선팔로 이루어지게 한 것은 성간 가스 때문입니다.
가스가 없었다면 우리 은하는 나선팔이 없는 밋밋한 렌즈형 은하가 됐을 것입니다.
새로운 별들이 계속 태어나고 우리 은하가 막대 나선 형태를 유지하는 게 모두 이 성간 가스 덕분인데요,
질량으로 치면 우리 은하의 가스는 항성들의 10%에 불과하지만 은하의 생명 유지 활동에 엄청난 기여를 합니다. 이 성간 가스는 은하의 나선팔을 따라가듯 나란히 분포합니다.
일반적으로 우리 은하의 원반 지름은 약 10만 광년이며, 원반의 두께는 약 1,000광년 정도 된다고 합니다.
태양에서 오르트 구름까지 약 1.5광년 되니까, 우리 태양계 직경은 약 3광년 된다고 볼 수 있겠죠.
그런 개념으로 우리 은하의 거리를 생각한다면 우리 은하의 크기가 어느 정도인지 상상이 될 겁니다.
우리 은하의 별은 90%가 내측 얇은 원반에 집중돼 있는데요,
은하의 직경이 약 9만 광년 되는 지점을 벗어나면 별의 밀도가 뚝 떨어집니다.
그렇다고 이 지점을 벗어난다고 해서 별이 전혀 없는 것은 아닙니다.
직경이 약 15만 광년 되는 지점까지 가스와 별이 존재합니다.
우리 은하의 주 나선팔은 2개입니다.
중앙 막대의 양끝에서 하나씩 뻗어 나오는데요, 하나는 ‘방패자리-센타우르스자리팔’이고,
나머지 하나는 ‘페르세우스자리팔’입니다.
그리고 크고 작은 부속팔이 여러 개 있죠.
그러면 태양계는 우리 은하의 어디쯤 있을까요?
우리 태양이 있는 위치는 주 나선팔 중에 하나인 페르세우스팔 근처에 있는 부속팔에 자리잡고 있는데요,
‘오리온자리 돌출부(Orion Spur)'로 불리는 '오리온자리팔'에 있습니다.
오리온자리팔은 너비가 3,500광년에 길이가 1만 광년 정도 됩니다.
더 정확히 말하면 우리 태양이 있는 오리온자리팔은 '궁수자리-용골자리팔'로도 불리는
'궁수자리팔'과 '페르세우스팔' 사이에 위치합니다.
우연인지 모르지만 우리 태양계는 우리 은하의 안쪽과 바깥쪽을 동시에 바라볼 수 있는
아주 전망 좋은 곳에 자리를 잡고 있습니다.
은하의 중심에서는 약 2만 7,000광년 떨어진 지점입니다.
은하의 직경을 약 10만 광년으로 잡는다면 딱 중간에 있다고 볼 수 있습니다.
우리 태양은 원래 46억 년쯤 전에 산개성단(散開星團)에서 태어났습니다.
하지만 그때의 출생 동기들은 태양만 홀로 남기고 모두 뿔뿔이 흩어진 지 오래죠.
은하핵 또는 지나가던 다른 별에 이끌려 다른 궤도로 넘어가버린 것입니다.
우리는 태양계는 은하핵 주위를 초속 240km의 속도로 돌고 있습니다.
지구는 시속 약 11만km, 즉 1초에 약 30km의 속도로 태양 주위를 도는데요,
1초에 30km도 사실 엄청난 속도인데 우리는 은하 중심을 지구 공전 속도보다 8배 더 빠른 속도로 돌고 있습니다.
태양계가 우리 은하를 한 바뀌 도는 데 약 2억 2,000만 년이 걸린다고 하니까,
우리 태양은 태어나서 지금까지 20바퀴 정도 돌았습니다.
태양의 수명이 약 100억 년이니까, 앞으로 30바뀌 더 돌면 태양의 생명은 다하게 됩니다.
우리 태양은 과거 산개성단(散開星團)에서 태어났다고 했는데요,
산개성단(散開星團)은 뭘까요?
성단은 말 그대로 별의 집단을 말합니다. 별은 일정한 구역을 차지하고 있는 성간 가스 구름에서
한꺼번에 태어나는데요, 그래서 별의 집단을 이룹니다.
성단(星團)에는 산개성단(散開星團)과 구상성단(球狀星團)이 있는데요,
우리 은하를 이해하기 위해서는 이 두 개의 성단도 꼭 이해할 필요가 있습니다.
산개성단(散開星團)은 수백 개에서 수천 개의 별들이 지름 수백 광년의 공간에 불규칙하게 흩어져서
모여 있는 별의 집단입니다.
모여 있는 별들은 거의 동시에 태어났기 때문에 나이와 구성성분이 거의 같고 고온의 밝고 젊은 별들로
이루어져 있습니다. 대부분은 나이가 3억 년 안쪽이고 10억 년 이상 된 것들은 몇 되지 않습니다.
우리 은하에는 1700개 이상의 산개성단이 있는 것으로 알려져 있으며, 대부분 은하평면을 따라 분포합니다.
구상성단(球狀星團)은 산개성단과는 달리 수만에서 수백만 개의 별들이 빽빽하게 공모양으로 뭉쳐있습니다.
주로 100억년 이상의 늙은 별들로 이루어져 있으며,
구상성단에 속해 있는 별들은 은하와 거의 같은 시기에 탄생된 것으로 추정하고 있죠.
은하가 막 형성되기 시작할 때 밀도와 압력이 극한까지 올라간 상황에서 이렇게 별이 빽빽하게 탄생할 수 있었던 것입니다. 하지만 이런 조건은 은하가 아주 어릴 때만 잠깐 생겼다가 사라지기 때문에 그 시간이 지나면 구상성단은 더 이상 태어나지 않습니다.
구상성단은 은하중심으로부터 지름 약 5만 광년의 공 모양의 은하무리 안에 대부분 분포합니다.
지금까지 알려진 은하계 내의 구상성단의 수는 130여 개이지만,
은하계 내에는 모두 500개 정도 있는 것으로 추정됩니다.
그리고, 마지막으로 헤일로(halo)입니다.
헤일로는 달무리처럼 은하 원반의 외곽을 크게 둘러싸는 구 모양의 영역을 말합니다.
은하는 모두 외곽을 헤일로가 둘러싸고 있는데요,
우리 은하는 은하 중심에서 20만 광년 거리에서 은하를 둘러싸고 있습니다.
천문학자들의 계산에 의하면 우리 은하 질량의 대부분이 중심에서 3만 광년 너머에 몰려 있다고 합니다.
그런데 은하의 외곽에는 별이 거의 없죠.
그렇다면 어떻게 은하 전체 질량의 90%를 차지할 정도로 어마어마한 양의 질량이 계산되어질까요?
그 해답은 암흑 물질입니다. 눈에 보이지 않는 암흑물질이 은하 헤일로 영역에 숨어있는 것입니다.
그렇지만 암흑 물질이 무엇인지 정체는 아직 밝혀지지 않았습니다. 참 궁금한 존재죠.
우주에서 암흑 물질 말고도 신비로운 암흑의 존재가 또 있는데요, 바로 ‘암흑 에너지’입니다.
이 두 가지는 최근에 드러난 존재이지만 그 정체는 아직 오리무중입니다.
언젠간 밝혀지겠지만, 그 모습을 쉽게 드러내지는 않는 것 같습니다.
우리 은하에서 엄청난 천재지변이 일어나지 않는다고 가정하면
은하 원반 안에서는 해마다 태양 질량의 3~5배 정도 되는 별들이 태어난다고 합니다.
그런데 이 원반에는 열기를 식혀줄 차가운 가스가 태양 질량의 50~100억 배 만큼 존재하기 때문에
앞으로 수십억 년 동안은 현재의 출생률이 그대로 유지될 것입니다.
그런데 우리 은하는 처음부터 이렇게 기골이 장대한 모습이었을까요?
그렇지 않습니다.
아마도 우리 은하는 꼬마 은하 100개쯤 뭉쳐서 지금처럼 규모있는 은하가 됐다고 보고 있습니다.