은하수의 정체는 무엇일까?

1. 은하수의 정체는 무엇일까?

1-1. 은하의 세계

별들은 우주공간에 자유롭게 떠 있는 것처럼 보이지만 아무렇게나 흩어져 있는 것은 아니고 은하라는 집단을 이루고 있습니다. 태양이 속해 있는 은하계 안에는 약 2천 억 개의 별들이 있습니다. 우주에는 이와 같은 은하들이 수없이 그리고 매우 다양한 모습으로 존재합니다. 이러한 은하들이 모여서 은하군이나 은하단을 이룹니다. 은하군이나 은하단은 더욱 거대한 초은하단을 이루며 분포하고 있습니다.

1-2. 은하수의 정체

무더운 여름 밤하늘을 아름답게 수놓는 은하수는 북동쪽에 보이는 백조 거문고 독수리자리로부터 시작하여 궁수 전갈자리로 가면서 절정을 이룹니다. 가을철로 접어들면 짙은 남쪽 하늘의 은하수는 보이지 않게 되지만 백조자리로 부터 케페우스 카시오페아 페르세우스 자리로 이어지는 은하수가 그 모습을 드러냅니다. 겨울철이면 다시 마차부 쌍둥이 오리온 외뿔소자리 사이로 흘러갑니다. 다만 봄철에는 은하수가 보이지 않습니다. 칠월 칠석이면 견우와 직녀가 만난다는 전설이 전해져 옵니다. 은하수는 강이 아니라 무수히 많은 별들의 집단입니다. 이것을 맨 처음 밝힌 사람은 망원경으로 천체 관측을 시작했던 갈릴레이입니다.

2. 은하수를 이루는 별들의 정체는 무엇일까?

그렇다면 은하수를 이루는 별들의 정체는 무엇인가? 18세기 말 영국의 천문학자 허셀은 직경 1.2m짜리 망원경으로 밝기에 따른 별들의 분포를 조사하다가 은하수 쪽에 어두운 별들이 훨씬 더 많다는 사실을 알았습니다. 당시로서는 별까지의 거리를 알 수 없었기 때문에 어두운 별은 멀리 있다고 생각하여 태양이 은하수 가운데 있는 원반 모양의 별들의 분포도를 만들었습니다. 이 은하 모형은 현재 알고 있는 것과 많이 다르지만 은하수의 모습을 최초로 조사했다는 데 의의가 있다고 합니다.

 

1918년 미국의 천문학자 새플리는 은하계 내에 흩어져 있는 구상성단들 안에서 세페이드 변광성들을 발견하였습니다. 그리고 변광성의 주기-광도 관계를 이용하여 구상성단들까지의 거리를 측정하였습니다. 이로부터 구상성단들이 분포하고 있는 양상을 알게 되었습니다.

2-1. 은하수 중에서 구상성단의 발견

구상성단들은 궁수자리 방향의 어떤 점을 둘러싸고 은하수 원반 위아래로 동그랗게 공 모양을 이루면서 흩어져 있었습니다. 10만 개가 넘는 별들의 집단인 구상성단들을 붙들어 둘 수 있는 힘의 중심 그곳이야말로 진정 은하수의 중심으로 생각되었습니다. 그 가능성은 은하수가 궁수자리 근처에서 가장 짙어진다는 사실로도 짐작할 수 있었습니다. 새플리는 은하수는 지름 30만 광년 정도 되는 원반모양이고 궁수자리 방향을 중심으로 회전하고 있다고 밝혔습니다.

2-2. 은하계의 회전 속도를 측정

1926년 네덜란드의 천문학자 오르트는 중성 수소가 내는 21cm 파장의 전파를 이용하여 은하계의 회전 속도를 측정하였습니다. 은하수가 회전하고 있다면 은하의 중심 가까이 있는 별은 멀리 떨어진 별보다 더 빨리 회전할 것으로 생각됩니다. 태양보다 은하계의 안쪽에 위치하고 있는 궁수자리 방향의 별들은 우리 태양계의 앞쪽으로 이동해 갑니다. 그리고 또 바깥쪽에 위치한 마차부자리 방향의 별들은 뒤쪽에서 천천히 다가오는 것처럼 보일 것입니다.

 

태양계와 멀리 떨어져 있는 별일수록 이 속도의 차이는 더 커질 것입니다. 이러한 가정을 근거로 은하계의 별들의 상대적 운동에 의해 은하계 중심 주위를 회전하는 비율을 계산할 수 있습니다. 이로부터 은하계의 회전 중심과 은하계의 중력장 및 질량을 구할 수 있습니다. 계산 결과 은하계의 중심은 새플리의 생각과 일치하였지만 은하계의 지름은 1/3 정도인 약 10만 광년 정도로 추산되었습니다. 또한 태양은 은하 중심으로부터 3만 광년 떨어져 있었습니다. 그리고 태양의 공전속도는 초속 225km이고 공전 주기는 2억 3000만 년으로 계산되었습니다.

 

새플리의 계산 결과가 3배나 크게 나온 것은 은하수 내에 무수히 산재하는 성간 먼지들 때문인 것으로 밝혀졌습니다. 변광성의 주기광도 관계를 이용하여 별까지의 거리 측정을 하려면 변광성의 변광 주기와 광도를 측정해야 합니다. 그런데 변광 주기는 성간 먼지의 영행을 받지 않지만 광도는 영향을 받으므로 광도 측정 시 성간 먼지들에 의한 소광 효과를 고려해야 했던 것입니다.

3. 은하수 중심 방향에는 수많은 성간 먼지와 성간운이 있다.

이러한 사실은 여름철과 겨울철 은하수의 밝기에 별로 차이가 없습니다. 우리가 은하계 중심 외곽에 있다면 여름철에는 은하수 중심 쪽으로 거의 2천 억 개의 별들이 보입니다. 그리고 겨울철에는 은하수의 외곽 쪽에 있는 불과 수백 만개 정도의 별들이 보이게 됩니다. 따라서 여름철 은하수는 겨울철 은하수보다 훨씬 더 밝아야 하지만 실제는 아닙니다. 이것은 은하수 중심 방향에는 수많은 성간 먼지와 성간운이 있어서 별빛을 가리고 있기 때문입니다.

 

은하 중심 방향에서 오는 별빛은 성간에 떠도는 가스와 먼지가 별빛을 흡수하여 1만 분의 1 이하로 약해집니다. 이 때문에 은하 원반 방향으로는 1만 광년 정도까지 밖에 볼 수 없습니다. 은하수 주변에는 이런 먼지와 가스 구름이 넓게 펴져 있어서 은하계 주변 질량의 상당량은 상간 먼지와 가스 구름이 차지하고 있을 것으로 여겨집니다.

 

은하수 주변에 가스와 먼지들이 가리고 있어서 많은 별들이 보이지 않는다는 것이 신비했습니다. 그리고 은하수 안에는 많은 구상성단들이 분포하고 있다는 사실도 놀라웠습니다.