宇宙우주의 巨視的거시적 構造구조

◁ 赤色적색 偏移편이 探査탐사와 銀河은하의 分布분포 ｜ — ▷
【背景배경】宇宙우주의 膨脹팽창과 現代현대 宇宙論우주론

■ 12行행宇우03-05: 銀河은하의 空間공간 分布분포 資料자료를 通통해 銀河은하의 集團집단을 理解이해하고, 銀河은하 長城장성, 보이드 等등 宇宙우주의 巨視的거시적인 構造구조를 現代현대 宇宙論우주론과 關聯관련지어 說明설명할 수 있다.

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銀河은하의 集團집단

銀河은하는 宇宙우주 空間공간에 홀로 떠 있기보다 서로의 重力중력에 묶여 무리를 이루는 境遇경우가 많습니다. 수십 개 以下이하의 銀河은하가 모인 작은 무리를 銀河群은하군, 數百수백~數千수천 개의 銀河은하가 모인 큰 무리를 銀河團은하단이라 하며, 이런 무리들이 다시 모여 더 큰 構造구조를 이룹니다. 赤色적색 偏移편이 探査탐사로 銀河은하의 立體입체 分布분포를 얻는 過程과정은 「赤色 偏移 探査와 銀河의 分布」에서 다루었고, 여기서는 그 地圖지도에 나타난 構造구조를 작은 것부터 次例차례로 살펴봅니다.

局部국부 銀河群은하군

우리 銀河은하가 속한 銀河群은하군을 局部국부 銀河群은하군이라 합니다. 지름 約약 1,000萬만 光年광년의 領域영역에 100개가 넘는 銀河은하가 알려져 있는데, 大部分대부분은 별이 數千수천~數億수억 개에 不過불과한 矮小왜소 銀河은하입니다. 質量질량의 大部分대부분은 큰 螺旋나선 銀河은하 세 개, 곧 안드로메다 銀河은하와 우리 銀河은하, 그리고 그보다 작은 三角形삼각형자리 銀河은하가 차지합니다. 마젤란 雲운처럼 큰 銀河은하 周圍주위를 도는 작은 銀河은하들은 衛星위성 銀河은하라 하며, 그 數수는 觀測관측 技術기술이 좋아지면서 繼續계속 늘고 있습니다.

局部국부 銀河群은하군의 銀河은하들은 宇宙우주의 膨脹팽창을 따라 멀어지지 않습니다. 안드로메다 銀河은하는 오히려 秒速초속 約약 110 km로 우리 銀河은하에 다가오고 있어, 數十億수십억 秊년 뒤 두 銀河은하가 衝突충돌할 것으로 여겨져 왔으나, 2025秊년 硏究연구에서는 100億억 秊년 안에 合합쳐질 確率확률을 50% 程度정도로 보았습니다. 서로의 重力중력이 宇宙우주의 膨脹팽창을 이기고 하나로 묶인 構造구조라는 뜻이며, 이 點점은 아래에서 宇宙우주의 膨脹팽창과 構造구조의 關係관계를 살필 때 다시 重要중요해집니다. 銀河은하의 衝突충돌과 合體합체가 銀河은하의 模樣모양을 어떻게 바꾸는지는 「銀河의 分類와 特異 銀河」에서 다루었습니다.

銀河團은하단

銀河團은하단은 數百수백에서 數千수천 개의 銀河은하가 지름 約약 1,000萬만 光年광년 안팎의 空間공간에 모인 構造구조로, 重力중력으로 묶인 天體천체 가운데 가장 큰 것입니다. 우리에게 가장 가까운 큰 銀河團은하단은 約약 5,400萬만 光年광년 떨어진 處女처녀자리 銀河團은하단으로, 1,000개가 넘는 銀河은하가 모여 있으며 그 中心중심에는 巨大거대 楕圓타원 銀河은하 M87이 있습니다. 約약 3億억 2千萬천만 光年광년 距離거리의 머리털자리 銀河團은하단 亦是역시 1,000개 以上이상의 銀河은하를 품은 큰 銀河團은하단입니다. 銀河團은하단의 中心部중심부에는 楕圓타원 銀河은하와 렌즈型형 銀河은하가 많고 螺旋나선 銀河은하는 바깥쪽에 많은데, 빽빽한 中心部중심부에서 銀河은하들이 銀河團은하단 內部내부의 뜨거운 氣體기체를 지나며 氣體기체를 빼앗기고(램 壓力압력) 서로 부딪히기도 하여 별을 만들지 못하게 되기 때문으로 생각됩니다.

可視光線가시광선으로 보면 銀河團은하단은 銀河은하의 무리이지만, X線선으로 보면 銀河은하 사이의 空間공간이 희미하게 빛납니다. 銀河團은하단 全體전체에 1,000萬만~1億억 K에 이르는 매우 뜨거운 氣體기체가 퍼져 있기 때문입니다. 이를 銀河團은하단 內部내부 氣體기체라 하며, 그 質量질량은 銀河은하 속의 별을 모두 合합친 것보다 몇 倍배나 많습니다. 이렇게 뜨거운 氣體기체가 흩어지지 않고 머물러 있으려면 銀河團은하단에 눈에 보이는 物質물질보다 훨씬 큰 重力중력이 있어야 합니다. 1930秊代년대에 이미 머리털자리 銀河團은하단의 銀河은하들이 너무 빨리 움직인다는 點점에서 보이지 않는 質量질량이 提起제기되었는데, 銀河은하의 回轉회전 曲線곡선과 함께 暗黑암흑 物質물질의 主要주요 證據증거가 되는 이 이야기는 「銀河의 回轉 曲線과 暗黑 物質」에서 다룹니다.

超銀河團초은하단

銀河群은하군과 銀河團은하단은 다시 모여 數億수억 光年광년 規模규모의 超銀河團초은하단을 이룹니다. 局部국부 銀河群은하군은 處女처녀자리 銀河團은하단을 中心중심으로 하는 處女처녀자리 超銀河團초은하단, 곧 局部국부 超銀河團초은하단의 가장자리에 자리 잡고 있습니다. 2014秊년 털리 等등은 수많은 銀河은하의 距離거리와 特異특이 速度속도를 分析분석해, 銀河은하들이 어느 쪽으로 끌려가고 있는지를 地圖지도로 그렸습니다. 물이 分水嶺분수령을 境界경계로 서로 다른 江강으로 흘러가듯, 銀河은하의 흐름이 한 中心중심을 向향해 모이는 範圍범위를 하나의 超銀河團초은하단으로 보자는 생각입니다. 이렇게 定정해진 우리의 超銀河團초은하단은 지름이 約약 5億억 2千萬천만 光年광년에 이르고 銀河은하 約약 10萬만 개를 包含포함하며, 하와이語어로 '헤아릴 수 없는 하늘'을 뜻하는 라니아케아라는 이름이 붙었습니다. 處女처녀자리 超銀河團초은하단은 그 一部일부에 該當해당합니다.

超銀河團초은하단은 銀河團은하단과 달리 全體전체가 하나로 묶인 構造구조가 아닌 境遇경우가 大部分대부분입니다. 境界경계도 銀河團은하단처럼 뚜렷하지 않아, 무엇을 하나의 超銀河團초은하단으로 볼지는 定義정의에 따라 달라집니다. 라니아케아의 境界경계를 銀河은하의 '흐름'으로 定정한 것도 이 때문입니다.

宇宙網우주망

필라멘트와 長城장성

赤色적색 偏移편이 探査탐사의 地圖지도에서 銀河團은하단은 따로 떨어진 섬이 아니라, 銀河은하가 실처럼 길게 늘어선 필라멘트로 서로 이어져 있습니다. 필라멘트가 만나는 매듭 자리에 銀河團은하단이 있고, 어떤 곳에서는 銀河은하가 실이 아니라 넓고 얇은 막을 이루기도 합니다. 이렇게 넓게 펼쳐진 銀河은하의 막 가운데 特특히 큰 것을 長城장성이라 부릅니다. 1989秊년 報告보고된 CfA2 長城장성은 길이가 約약 5億억 光年광년이었고, 2003秊년 SDSS의 資料자료에서 報告보고된 슬론 長城장성은 길이가 13億억 光年광년을 넘습니다. 이렇게 큰 構造구조는 아래에서 볼 宇宙우주 原理원리와 견주어 보아야 할 對象대상이기도 합니다.

보이드

필라멘트와 壁벽 사이에는 銀河은하가 거의 없는 넓은 空間공간이 있는데, 이를 보이드라 합니다. 보이드의 지름은 大槪대개 數千萬수천만~數億수억 光年광년입니다. 1981秊년 커시너 等등이 牧童목동자리 方向방향 約약 7億억 光年광년 距離거리에서 찾아낸 牧童목동자리 보이드는 지름이 3億억 光年광년 안팎(資料자료에 따라 2億억 5千萬천만~4億억 光年광년)에 이르는데, 같은 크기의 空間공간이라면 普通보통 2,000개 안팎의 銀河은하가 있어야 할 자리에서 銀河은하가 수십 개밖에 發見발견되지 않았습니다. 보이드는 '아무것도 없는' 空間공간이 아니라 物質물질이 平均평균보다 훨씬 적은 空間공간이며, 그 안의 몇 안 되는 銀河은하도 大槪대개 작고 희미합니다.

宇宙網우주망이라는 그림

銀河團은하단이라는 매듭, 그 사이를 잇는 필라멘트와 壁벽, 그리고 그 틈을 채운 보이드를 함께 보면 宇宙우주의 物質물질은 巨大거대한 그물이나 비누 거품의 막과 같은 模樣모양으로 퍼져 있습니다. 이 構造구조 全體전체를 宇宙網우주망이라 합니다. 宇宙우주 空間공간의 부피로 보면 大部分대부분을 보이드가 차지하지만, 物質물질의 折半절반 가량은 필라멘트에, 나머지 相當상당 部分부분은 壁벽과 銀河團은하단에 모여 있습니다. 銀河은하의 性質성질도 宇宙網우주망 속 자리에 따라 달라서, 빽빽한 銀河團은하단에는 늙은 楕圓타원 銀河은하가, 성긴 보이드와 필라멘트에는 아직 氣體기체를 간직한 螺旋나선 銀河은하가 많은 傾向경향이 있습니다.

構造구조는 어떻게 생겼는가

처음의 작은 搖動요동

宇宙網우주망은 처음부터 있었던 것이 아닙니다. 宇宙우주 初期초기의 物質물질은 거의 고르게 퍼져 있었고, 그 證據증거는 宇宙우주 背景배경 輻射복사에 남아 있습니다. 宇宙우주 背景배경 輻射복사는 宇宙우주가 約약 38萬만 秊년 되었을 때 풀려난 빛으로, 그 自體자체에 對대해서는 「宇宙의 膨脹과 現代 宇宙論」에서 다룹니다. 1992秊년 코비 衛星위성은 이 빛의 溫度온도가 方向방향에 따라 約약 10萬分만분의 1 程度정도로 아주 조금 다르다는 것을 처음 確認확인했습니다. 이 微細미세한 溫度온도 差차는 當時당시 物質물질의 密度밀도가 곳에 따라 아주 조금 달랐다는 것을 뜻하며, 오늘날 宇宙網우주망의 씨앗으로 여겨집니다.

重力중력 不安定불안정과 暗黑암흑 物質물질

密度밀도가 平均평균보다 조금 높은 곳은 周圍주위보다 重力중력이 조금 더 强강해 둘레의 物質물질을 끌어당기고, 그 結果결과 密度밀도가 더 높아집니다. 反對반대로 密度밀도가 조금 낮은 곳에서는 物質물질이 빠져나가 더 비게 됩니다. 처음의 작은 差異차이가 重力중력 때문에 스스로 커지는 이 過程과정을 重力중력 不安定불안정이라 합니다. 物質물질은 먼저 한 方向방향으로 납작하게 눌려 막을 이루고, 막이 만나는 곳에서 실 같은 필라멘트가, 필라멘트가 만나는 곳에서 銀河團은하단이 생기며, 物質물질이 빠져나간 자리는 보이드로 남습니다. 宇宙網우주망의 模樣모양은 이 重力중력 不安定불안정의 自然자연스러운 結果결과입니다.

그런데 普通보통 物質물질만으로는 10萬分만분의 1이라는 작은 差異차이가 宇宙우주의 나이 約약 138億억 秊년 동안 오늘날의 構造구조로 자라기에 時間시간이 모자랍니다. 原子원자가 생기기 前전까지 普通보통 物質물질은 빛과 뒤섞여 있어서, 빛의 壓力압력 때문에 마음대로 뭉칠 수 없었기 때문입니다. 빛과 相互作用상호작용하지 않는 暗黑암흑 物質물질은 이 制約제약을 받지 않아 더 일찍부터 뭉치기 始作시작했고, 原子원자가 생긴 뒤 普通보통 物質물질은 이미 자라 있던 暗黑암흑 物質물질의 重力중력 우물로 떨어져 들어가 빠르게 銀河은하를 이루었습니다. 宇宙網우주망의 뼈대는 暗黑암흑 物質물질이 만들고, 銀河은하는 그 뼈대를 따라 빛나는 標識표지인 셈입니다. 또한 暗黑암흑 物質물질이 천천히 움직이는 粒子입자라면 작은 덩어리가 먼저 생기고 그것들이 合합쳐져 次例차례로 더 큰 構造구조가 되는데, 銀河은하가 合體합체하며 자라는 모습은 이 생각과 잘 들어맞습니다.

컴퓨터 模擬實驗모의실험

構造구조가 자라는 過程과정은 方程式방정식으로 풀기 어려워 컴퓨터 模擬實驗모의실험으로 調査조사합니다. 宇宙우주 初期초기의 작은 密度밀도 差차를 가진 수많은 粒子입자를 컴퓨터 속 箱子상자에 뿌려 놓고, 粒子입자들이 서로 당기는 重力중력을 計算계산하면서 宇宙우주의 膨脹팽창에 맞추어 時間시간을 흘려보내는 方法방법입니다. 2005秊년 發表발표된 밀레니엄 模擬實驗모의실험은 한 邊변이 約약 20億억 光年광년인 立方體입방체 속에서 粒子입자 約약 100億억 개의 움직임을 計算계산했는데, 그 暗黑암흑 物質물질의 分布분포를 바탕으로 計算계산한 銀河은하의 分布분포는 赤色적색 偏移편이 探査탐사가 그린 銀河은하의 그물 模樣모양과 統計的통계적으로 잘 맞았습니다. 觀測관측한 宇宙우주의 地圖지도와 理論이론으로 키운 宇宙우주의 地圖지도가 비슷하다는 것은, 暗黑암흑 物質물질과 重力중력 不安定불안정을 바탕으로 한 現代현대 宇宙論우주론의 構造구조 形成형성 理論이론을 支持지지하는 重要중요한 根據근거입니다.

膨脹팽창하는 宇宙우주 속의 構造구조

묶인 構造구조와 묶이지 않은 構造구조

宇宙우주가 膨脹팽창한다고 해서 모든 것이 커지는 것은 아닙니다. 原子원자나 太陽系태양계, 銀河은하는 自體자체의 힘으로 단단히 묶여 있어 膨脹팽창의 影響영향을 받지 않습니다. 局部국부 銀河群은하군과 銀河團은하단도 마찬가지로, 그 안에서는 重力중력이 膨脹팽창을 이겨 構造구조 全體전체가 커지지 않습니다. 이런 構造구조의 銀河은하들은 宇宙우주의 膨脹팽창을 따라 멀어지는 대신 共通공통의 重心중심 周圍주위를 돌거나 서로 다가가며, 안드로메다 銀河은하가 우리에게 다가오는 것도 이 때문입니다. 이렇게 重力중력으로 묶인 構造구조는 宇宙우주 初期초기에 密度밀도가 높았던 곳이 어느 時點시점에 膨脹팽창에서 떨어져 나와 스스로 收縮수축한 結果결과입니다.

反面반면 超銀河團초은하단과 보이드는 宇宙우주의 膨脹팽창에 影響영향을 받는 規模규모입니다. 超銀河團초은하단은 周圍주위보다 密度밀도가 높지만 全體전체가 하나로 묶일 만큼은 아니어서, 그 안의 銀河團은하단들은 서로 끌어당기면서도 宇宙우주의 膨脹팽창에 따라 大體대체로 멀어지고 있습니다. 보이드는 周圍주위보다 物質물질이 적어 膨脹팽창을 늦추는 重力중력이 弱약하므로, 宇宙우주 平均평균보다 조금 더 빠르게 넓어집니다. 局部국부 銀河群은하군 안의 銀河은하들이 서로 다가가는 동안 數億수억 光年광년 떨어진 超銀河團초은하단들은 서로 멀어지고 있다는 것, 곧 構造구조의 크기에 따라 重力중력과 膨脹팽창 가운데 어느 쪽이 이기는지가 달라진다는 것이 宇宙우주의 巨視的거시적 構造구조를 現代현대 宇宙論우주론과 關聯관련지어 理解이해하는 核心핵심입니다.

宇宙우주 原理원리와 均一性균일성의 規模규모

現代현대 宇宙論우주론은 큰 規模규모에서 宇宙우주가 均一균일하고 方向방향에 따라 다르지 않다는 宇宙우주 原理원리를 바탕으로 합니다. 赤色적색 偏移편이 探査탐사는 數億수억 光年광년보다 큰 規模규모에서 實際실제로 銀河은하의 密度밀도가 고르다는 것을 보여 주었습니다. 宇宙網우주망은 宇宙우주 原理원리와 어긋나는 것이 아니라, 그보다 작은 規模규모에서 나타나는 울퉁불퉁함입니다. 바다의 물결이 아무리 거칠어도 멀리서 보면 바다 表面표면이 평평해 보이는 것과 비슷합니다.

다만 슬론 長城장성처럼 均一性균일성의 規模규모보다 훨씬 긴 構造구조가 報告보고되면서, 이것이 宇宙우주 原理원리와 들어맞는지에 對대한 論議논의도 있습니다. 이런 構造구조가 하나로 이어진 實體실체인지, 偶然우연히 늘어선 여러 構造구조를 이어 본 것인지에 따라 答답이 달라지며, 아직 定說정설은 없습니다. 宇宙우주 原理원리는 現代현대 宇宙論우주론의 假定가정이면서, 더 큰 探査탐사가 나올 때마다 다시 確認확인받는 觀測관측의 對象대상이기도 합니다.

構造구조의 未來미래

1990秊代년대 末말 宇宙우주의 膨脹팽창이 加速가속되고 있다는 것이 밝혀지면서, 構造구조의 未來미래도 달라졌습니다. 暗黑암흑 에너지 때문에 膨脹팽창이 빨라지면 重力중력 不安定불안정이 構造구조를 키우는 힘이 相對的상대적으로 弱약해져, 새로운 큰 構造구조는 漸漸점점 생기기 어려워집니다. 묶이지 않은 超銀河團초은하단은 흩어지고, 重力중력으로 묶인 銀河群은하군과 銀河團은하단만 서로 멀리 떨어진 섬처럼 남게 될 것으로 豫想예상됩니다. 局部국부 銀河群은하군의 銀河은하들은 먼 未來미래에 하나의 큰 楕圓타원 銀河은하로 合합쳐지고, 그 바깥의 銀河은하들은 膨脹팽창에 실려 漸漸점점 멀어져 結局결국 보이지 않게 될 것입니다. 暗黑암흑 에너지와 加速가속 膨脹팽창에 對대해서는 「宇宙의 膨脹과 現代 宇宙論」에서 다룹니다.

整理정리

밤하늘의 銀河은하는 흩어진 點점처럼 보이지만, 그 깊이를 재어 立體입체로 그리면 宇宙우주 全體전체에 걸친 그물이 드러납니다. 그 그물은 宇宙우주 初期초기의 아주 작은 密度밀도 差차가 暗黑암흑 物質물질의 重力중력을 따라 138億억 秊년 동안 자라난 結果결과이며, 오늘도 重力중력과 膨脹팽창의 줄다리기 속에서 模樣모양을 바꾸어 가고 있습니다.