우주 속 수많은 은하와 그를 이해하기 위한 노력

은하를 이해하기 위한 노력

과학자들은 우주와 은하를 이해하기 위한 노력의 하나로 컴퓨터 시뮬레이션을 활용하고 있습니다. 인류는 오랜 시간 자연스레 밤하늘을 올려다보면서 만물의 근원에 대해 궁금해 왔습니다. 인류가 세계와 우주를 바라보는 시각은 다양한 방식으로 성찰되어 왔는데, 이제는 과학이라는 지식 체계로 그런 질문에 답하는 시점에 도달했습니다. 하지만 밤하늘에 보이는 은하수가 우리 지구가 속한 우리은하라는 사실을 알게 된 것은 그리 오래되지 않았습니다.

17세기에 갈릴레오가 망원경으로 은하수를 바라봄으로써 은하수가 별로 이루어졌다는 사실을 처음 알게 되었고, 18세기에 허셜이 은하수 별들의 개수를 세는 것으로 구조를 파악하려는 노력을 처음 시도했습니다. 하지만 그때만 하더라도 태양이 은하수의 중심에 위치해야 한다는 관습적인 사고에서 크게 벗어나지 못했습니다.

그 후 2~3세기가 흐르는 동안 인류는 과학과 기술의 진보로 은하수 그리고 우리은하에 대해서 매우 많은 것을 알게 되었습니다. 근적외선으로 관측한 우리은하의 모습이 있습니다. 이런 우리은하의 모습은 우리은하가 넓적한 원반 은하라고 했을 때 이를 위에서 내려다본 우리은하의 상상도에서 붉은색별 위치에서 원반 면을 따라 360도 돌아가면서 파노라마 관측을 하고 그 결과를 이어 붙인 것입니다. 우리는 우리은하 안에 있으면서도 우리은하의 3D 구조를 측량할 수 있습니다. 이것은 별이나 별이 탄생하는 가스 구름의 연주시차를 이용하면 그 천체까지의 거리를 알 수 있기 때문입니다. 우리은하에는 4~5개의 나선팔이 있고, 그중 태양은 약하게 발달한 나선팔에 위치한 것으로 알려져 있습니다.
전체적인 구조를 살펴보면, 나선팔이 위치한 원반과 은하 중심에 별들이 밀집된 핵 팽대부가 있습니다. 그리고 10만여 개의 별들이 고밀도로 뭉쳐져 있는 구상성단 100여 개가 은하를 떠돌아다니고 있고, 이런 구조를 전체적으로 별 헤일로가 감싸고 있습니다. 별 헤일로는 별들이 굉장히 성기게 분포하는 영역입니다.

이렇게 우리은하는 전형적인 나선은하의 특성을 가지고 있으며, 우리은하의 원반에는 가스가 대단히 많기 때문에 지속해서 별이 탄생하고 있습니다. 최근 생성되는 별들은 비교적 굉장히 밝고 푸른색으로, 비교적 오래전에 생성된 은하핵 팽대부는 좀 더 붉은색으로 표현되어 있습니다. 원반이 없는 타원형 은하의 경우는 가스의 양도 적고 최근에 생겨나는 별들이 없어 전체적으로 붉게 관측됩니다. 

 

다양한 은하를 관측하는 법

천문학자들은 얼마나 멀리 그리고 얼마나 오래전부터 은하가 있었는지를 알기 위해서 허블 우주망원경을 이용해서 보름달 크기의 50분의 1에 달하는 직사각형 영역을 관측했습니다. 이 관측 이미지에는 50억 년에서 100억 년 전 사이에 태어난 아주 어린 은하들이 담겨 있습니다. 관측할 수 있는 범위 내에서 은하의 개수를 모두 추산해 보면 수천억 개에 달하는데, 이 은하들의 밝기나 모양, 색, 나이 등이 모두 다릅니다.
은하의 특성이 가장 급진적으로 변하는 것은 은하 간의 상호작용이나 병합 현상에 의해서입니다. 하지만 은하 간의 상호작용이나 병합 현상은 수십억 년이 걸리기 때문에 은하의 특성이 어떻게 변하는 지를 우리가 관측할 수는 없습니다.
은하 특성 변화의 인과 관계를 파악하기 위해서는 다양한 환경에 있는 다양한 은하를 대상으로 통계학적인 분석을 해나가거나 컴퓨터 시뮬레이션으로 가상의 우주와 은하를 구현해서 은하 특성 변화의 인과 관계를 살펴봐야 합니다.

 

우리은하를 제외한 나머지 다른 은하들을 모두 외부 은하라고 합니다. 이 외부 은하들의 위치를 천구상에 점으로 찍고 그것을 펼쳐서 본 사진이 있습니다. 이 사진 가운데에 우리은하가 있고, 그 외에 점으로 표시된 것 모두가 외부 은하의 위치입니다. 그런데 외부 은하가 고르게 분포하고 있는 것이 아니라 마치 거미줄처럼 엉켜 있기도 하고 그물망처럼 굉장히 특이하게 분포하고 있습니다. 은하들이 이렇게 분포해서 만들어낸 구조물을 '우주 거대구조’라고 합니다.
은하들이 선상에 늘어져서 분포하는 것을 필라 멘트 구조라고 하는데, 수억 광년에 달하는 이런 필라멘트 구조가 한데 모이는 영역을 은하단이라고 합니다. 이 은하단에는 은하가 굉장히 많이 분포하고, 반대로 은하가 거의 존재하지 않는 빈 곳처럼 보이는 영역을 보이드 영역이라고 합니다. 이런 우주 거대구조가 어떻게 생겨났는지 이해하려면 우주론에 대한 이해가 필요합니다.

 

우주의 표준 모형

 현재 정설로 받아들여지는 우주 표준 모형은 크게 3가지로 이루어져 있습니다. 첫 번째는 대폭발로 우주가 생겨난 이래로 지속해서 팽창하고 있다는 것입니다. 두 번째는 우주 역사 초기에 우주의 크기가 기하급수적으로 가속 팽창했던 인플레이션 시기가 있었다는 것입니다. 마지막으로 세 번째는 우주의 에너지 밀도를 구성하는 비율입니다. 우리가 아는 중입자, 일반 입자 그리고 바리온 같은 입자들은 전체의 5%밖에 되지 않습니다. 빛과 상호작용하지는 않지만, 중력적으로는 존재하는 물질인 암흑물질은 일반 물질보다 5~6배가 더 많습니다. 

하지만 우주 에너지의 대부분을 차지하는 것은 물질이 아닌 암흑에너지입니다. 암흑에너지는 중력과 달리 물질을 밀쳐내는 역할을 하고 있어서, 현재 우주가 가속 팽창하고 있는 것이 바로 이 암흑에너지로 설명되고 있습니다.