銀河은하의 分類분류와 特異특이 銀河은하

◁ 별의 進化진화 ｜ 宇宙우주의 膨脹팽창과 現代현대 宇宙論우주론 ▷
【深化심화】銀河은하의 回轉회전 曲線곡선과 暗黑암흑 物質물질

■ 12地지球구03-04: 허블의 銀河은하 分類분류 體系체계에 따른 銀河은하의 特徵특징을 比較비교하고 外部銀河외부은하의 資料자료를 利用이용하여 特異특이 銀河은하의 觀測的관측적 特徵특징을 推論추론할 수 있다.

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外部銀河외부은하의 發見발견

星雲성운인가 銀河은하인가

밤하늘에는 별과 달리 희미하게 퍼진 天體천체들이 있습니다. 18世紀세기 프랑스의 메시에는 彗星혜성을 찾다가 彗星혜성과 헷갈리는 이런 天體천체들의 目錄목록을 만들었고, 天文學者천문학자들은 이를 통틀어 星雲성운이라 불렀습니다. 그 가운데 안드로메다 星雲성운처럼 소용돌이 模樣모양을 한 것들이 있었는데, 이것이 우리 銀河은하 안의 氣體기체 구름인지, 아니면 우리 銀河은하 밖에 있는 또 다른 별의 集團집단인지는 20世紀세기 初초까지 풀리지 않은 問題문제였습니다. 1920秊년 美國미국 國立국립 科學과학 아카데미 모임에서는 섀플리와 커티스가 이 問題문제를 두고 公開공개 討論토론을 벌였는데, 이를 天文學천문학의 '大論爭대논쟁'이라 부릅니다.

허블의 觀測관측

論爭논쟁을 끝낸 것은 距離거리의 測定측정이었습니다. 1912秊년 美國미국의 리비트는 밝기가 週期的주기적으로 變변하는 세페이드 變光星변광성의 變光변광 週期주기가 길수록 實際실제 光度광도가 크다는 關係관계를 發見발견했습니다. 週期주기를 재면 光度광도를 알 수 있고, 光度광도와 겉보기 밝기를 比較비교하면 距離거리를 구할 수 있게 된 것입니다.

1923~1924秊년 허블은 윌슨산 天文臺천문대의 當時당시 世界세계 最大최대 望遠鏡망원경으로 안드로메다 星雲성운 속에서 세페이드 變光星변광성을 찾아내고 그 距離거리를 計算계산했습니다. 그가 얻은 距離거리는 우리 銀河은하의 크기보다 훨씬 멀었습니다. 오늘날의 값으로 안드로메다는 約약 250萬만 光年광년 떨어져 있습니다. 안드로메다 '星雲성운'은 우리 銀河은하와 맞먹는 수천億억 개의 별이 모인 獨立독립된 銀河은하였고, 宇宙우주는 우리 銀河은하 하나가 아니라 수많은 銀河은하로 이루어져 있다는 것이 밝혀졌습니다. 우리 銀河은하 밖의 銀河은하를 外部銀河외부은하라 합니다.

허블의 銀河은하 分類분류

模樣모양에 따른 分類분류

허블은 수많은 外部銀河외부은하를 觀測관측해 그 模樣모양에 따라 分類분류했습니다. 이를 허블의 銀河은하 分類분류 體系체계라 하며, 1936秊년 그의 冊책 「星雲성운의 世界세계」에서 소리굽쇠 模樣모양의 그림으로 整理정리되었습니다.

소리굽쇠 그림에서 왼쪽 손잡이 部分부분에 楕圓타원 銀河은하가 E0부터 E7까지 놓이고, 렌즈型형 銀河은하를 거쳐 오른쪽으로 두 갈래, 螺旋나선 銀河은하와 막대 螺旋나선 銀河은하가 갈라져 나갑니다. 허블은 별의 分光型분광형 分類분류에서 쓰던 말을 빌려 楕圓타원 銀河은하를 '初期型초기형', 螺旋나선 銀河은하를 '後期型후기형'이라 불렀습니다. 그는 이것이 模樣모양이 單純단순한 것에서 複雜복잡한 것으로 가는 順序순서를 뜻할 뿐 時間시간 順序순서로 읽어서는 안 된다고 밝혔지만, 이 이름은 뒤에 銀河은하가 楕圓타원에서 螺旋나선으로 進化진화한다는 뜻으로 널리 誤解오해되었습니다. 오늘날에도 初期型초기형과 後期型후기형이라는 이름은 慣例관례로 쓰이며, 이 順序순서가 進化진화 經路경로가 아니라는 點점을 알아 두어야 합니다.

銀河은하의 種類종류에 따른 特徵특징

銀河은하의 模樣모양은 그 銀河은하를 이루는 별과 星間성간 物質물질의 性質성질과 깊이 關聯관련되어 있습니다.

楕圓타원 銀河은하에는 새 별의 材料재료인 氣體기체가 거의 남아 있지 않아 새 별이 태어나지 않습니다. 質量질량이 큰 푸른 별은 壽命수명이 짧아 이미 사라졌고, 壽命수명이 긴 붉은 별들만 남아 있어 銀河은하 全體전체가 붉게 보입니다. 「별의 進化」에서 본 것처럼 質量질량이 큰 별일수록 빨리 죽기 때문입니다. 反面반면 螺旋나선 銀河은하의 螺旋나선팔에는 氣體기체와 먼지가 모여 있어 새로운 별이 계속 태어나고, 갓 태어난 質量질량이 큰 푸른 별들이 螺旋나선팔을 밝게 빛냅니다. 銀河은하의 色색은 그 銀河은하에서 只今지금 별이 태어나고 있는지를 알려 주는 指標지표인 셈입니다.

楕圓타원 銀河은하의 크기는 매우 多樣다양해서, 수百萬백만 개의 별로 된 작은 矮小왜소 楕圓타원 銀河은하부터 銀河團은하단의 中心중심에서 수兆조 개의 별을 거느린 巨大거대 楕圓타원 銀河은하까지 있습니다. 巨大거대 楕圓타원 銀河은하는 여러 銀河은하가 衝突충돌하고 合體합체한 結果결과로 만들어진 것으로 생각됩니다. 銀河은하가 合體합체하면 圓盤원반 속 별들의 秩序질서 있는 回轉회전이 흐트러지고 氣體기체가 한꺼번에 별로 바뀌거나 흩어져, 氣體기체가 없고 별들이 無秩序무질서하게 움직이는 楕圓타원 銀河은하가 됩니다.

不規則불규칙 銀河은하의 代表的대표적인 例예는 南半球남반구 밤하늘에서 맨눈으로도 보이는 大대마젤란 雲운과 小소마젤란 雲운입니다. 두 銀河은하는 各各각각 約약 16萬만 光年광년과 約약 20萬만 光年광년 떨어진 우리 銀河은하의 衛星위성 銀河은하로, 氣體기체가 豐富풍부해 새로운 별이 活潑활발하게 태어나고 있습니다. 不規則불규칙 銀河은하의 模樣모양이 흐트러진 까닭은 여러 가지인데, 크기가 작아 自體자체 重力중력으로 圓盤원반과 螺旋나선팔 같은 秩序질서 있는 構造구조를 維持유지하기 어렵거나, 가까운 큰 銀河은하의 起潮力기조력에 끌려 模樣모양이 일그러지는 境遇경우가 많습니다. 마젤란 雲운도 우리 銀河은하의 重力중력에 影響영향을 받아 그 사이에 氣體기체가 길게 끌려 나온 흐름이 觀測관측됩니다.

우리 銀河은하

우리 太陽系태양계가 속한 銀河은하를 우리 銀河은하라 합니다. 밤하늘을 가로지르는 銀河水은하수는 圓盤원반 模樣모양인 우리 銀河은하를 그 안쪽에서 옆으로 바라본 모습입니다. 우리 銀河은하는 막대 螺旋나선 銀河은하로, 圓盤원반의 지름은 約약 10萬만 光年광년이며 1,000億억~4,000億억 개의 별이 있는 것으로 推定추정됩니다. 太陽태양은 銀河은하 中心중심에서 約약 2萬만 6千천 光年광년 떨어진 螺旋나선팔 近處근처에서 銀河은하 中心중심을 돌고 있으며, 한 바퀴 도는 데 約약 2億억 秊년 남짓이 걸립니다.

우리 銀河은하의 中心중심에는 太陽태양 質量질량의 約약 400萬만 倍배에 이르는 超大質量초대질량 블랙홀이 있습니다. 中心중심 가까이에서 이 보이지 않는 天體천체 周圍주위를 빠르게 도는 별들의 軌道궤도를 수십 秊년에 걸쳐 追跡추적해 그 質量질량을 밝힌 겐첼과 게즈는 2020秊년 노벨 物理學賞물리학상을 받았습니다. 2022秊년에는 地球지구 곳곳의 電波전파 望遠鏡망원경을 연결한 事件사건의 地平線지평선 望遠鏡망원경(EHT) 硏究陣연구진이 이 블랙홀의 그림자를 담은 映像영상을 公開공개했습니다.

暗黑암흑 物質물질

螺旋나선 銀河은하의 별과 氣體기체가 中心중심을 도는 速度속도를 中心중심에서의 距離거리에 따라 그린 그래프를 回轉회전 曲線곡선이라 합니다. 눈에 보이는 별과 氣體기체가 大部分대부분 中心중심 쪽에 몰려 있다면, 太陽系태양계의 行星행성처럼 바깥으로 갈수록 回轉회전 速度속도가 느려져야 합니다. 그러나 1970秊代년대 美國미국의 루빈 等등이 여러 螺旋나선 銀河은하를 觀測관측한 結果결과, 回轉회전 速度속도는 바깥쪽에서도 거의 줄지 않았습니다. 눈에 보이는 物質물질보다 훨씬 많은 質量질량이 銀河은하를 넓게 둘러싸고 있다는 뜻입니다. 빛을 내거나 吸收흡수하지 않아 重力중력으로만 存在존재를 알 수 있는 이 物質물질을 暗黑암흑 物質물질이라 합니다. 銀河은하의 全體전체 質量질량 가운데 大部分대부분은 暗黑암흑 物質물질이 차지하는 것으로 推定추정되며, 그 正體정체는 아직 밝혀지지 않았습니다.

特異특이 銀河은하

허블 分類분류는 大部分대부분 銀河은하의 模樣모양을 잘 說明설명하지만, 이 分類분류에 들어맞지 않거나 普通보통 銀河은하와 전혀 다른 觀測的관측적 特徵특징을 보이는 銀河은하들이 있습니다. 이런 銀河은하를 特異특이 銀河은하라 합니다. 特異특이 銀河은하는 可視光線가시광선으로 본 模樣모양보다 電波전파·X線선 같은 다른 波長파장의 觀測관측과 스펙트럼 分析분석으로 그 特徵특징이 드러나는 境遇경우가 많습니다.

電波전파 銀河은하

電波전파 銀河은하는 可視光線가시광선보다 電波전파 領域영역에서 매우 强강한 에너지를 내는 銀河은하입니다. 可視光線가시광선으로는 대개 平凡평범한 巨大거대 楕圓타원 銀河은하로 보이지만, 電波전파로 觀測관측하면 銀河은하 中心중심의 核핵에서 兩양쪽으로 가늘고 긴 噴出物분출물(제트)이 뻗어 나가고, 그 끝에 銀河은하보다 훨씬 큰 電波전파 덩어리(로브)가 있습니다. 제트의 길이는 수十萬십만~수百萬백만 光年광년에 이르기도 합니다. 白鳥백조자리 A가 代表的대표적인 電波전파 銀河은하입니다.

電波전파 銀河은하가 可視光線가시광선이 아니라 電波전파로 밝은 까닭은 빛을 내는 方式방식이 별과 다르기 때문입니다. 별은 뜨거운 表面표면이 溫度온도에 맞는 빛을 내지만, 電波전파 銀河은하의 제트와 로브에서는 빛의 速度속도에 가까운 速度속도로 움직이는 電子전자들이 磁氣場자기장 속에서 磁力線자력선을 감으며 螺旋나선 運動운동을 합니다. 電荷전하를 띤 粒子입자가 運動운동 方向방향을 바꾸며 加速가속되면 電磁氣波전자기파를 내는데, 이렇게 나오는 빛을 싱크로트론 輻射복사라 합니다. 이 빛은 溫度온도와 關係관계없이 電子전자의 에너지와 磁氣場자기장의 세기에 따라 정해지며, 電波전파 領域영역에서 特특히 强강하게 나타납니다. 따라서 電波전파 銀河은하의 强강한 電波전파는 中心核중심핵에서 엄청난 에너지가 粒子입자를 加速가속해 바깥으로 내뿜고 있다는 證據증거이고, 이 에너지原원이 무엇인지는 아래의 活動활동 銀河核은하핵에서 다시 살펴봅니다.

白鳥백조자리 A는 約약 7億억 6千萬천만 光年광년 떨어져 있는데도 하늘에서 가장 밝은 電波源전파원 가운데 하나로 꼽힐 만큼 强강한 電波전파를 냅니다. 이만큼 먼 天體천체가 이렇게 밝게 보인다는 것은 그 實際실제 電波전파 光度광도가 매우 크다는 뜻입니다. 더 가까운 例예로는 約약 1,200萬만 光年광년 거리에 있는 켄타우루스자리 A가 있는데, 可視光線가시광선 寫眞사진에서는 楕圓타원 銀河은하 가운데를 검은 먼지 띠가 가로지르는 模樣모양으로 보이고, 電波전파로 보면 그 兩양쪽으로 巨大거대한 로브가 펼쳐져 있습니다.

세이퍼트 銀河은하

1943秊년 美國미국의 세이퍼트는 中心核중심핵이 유난히 밝은 螺旋나선 銀河은하들을 報告보고했습니다. 이를 세이퍼트 銀河은하라 합니다. 세이퍼트 銀河은하는 中心核중심핵이 매우 밝고 작으며, 그 스펙트럼에는 넓은 幅폭의 放出線방출선이 나타납니다. 放出線방출선의 幅폭이 넓다는 것은 그 빛을 내는 氣體기체가 數千수천 km/s의 매우 빠른 速度속도로 움직인다는 뜻입니다. 이렇게 빠른 運動운동은 中心중심에 質量질량이 매우 큰 天體천체가 있어야 說明설명할 수 있습니다. 中心核중심핵의 밝기가 數週수주~數個月수개월 사이에 變변하기도 하는데, 밝기가 빠르게 變변한다는 것은 빛을 내는 領域영역이 매우 작다는 證據증거입니다. 빛이 그 領域영역을 건너는 時間시간보다 빨리 全體전체의 밝기가 바뀔 수는 없기 때문입니다.

퀘이사

1950~60秊代년대 電波전파 望遠鏡망원경으로 찾은 强강한 電波전파 天體천체 가운데에는, 可視光線가시광선으로 보면 별처럼 點점으로 보이는 것들이 있었습니다. 이들은 별과 비슷하다는 뜻에서 '準恒星體준항성체', 줄여서 퀘이사라 불렸습니다. 1963秊년 네덜란드 出身출신의 天文學者천문학자 슈미트는 퀘이사 3C 273의 스펙트럼에 나타난 異常이상한 線선들이 事實사실은 水素수소의 放出線방출선이 크게 붉은 쪽으로 밀려난 것임을 알아냈습니다. 이를 赤色적색 偏移편이라 하며, 赤色적색 偏移편이가 클수록 天體천체가 빠르게 멀어지고 있고 그만큼 멀리 있다는 것을 뜻합니다. 赤色적색 偏移편이와 距離거리의 關係관계, 곧 宇宙우주의 膨脹팽창은 다음 主題주제인 「宇宙의 膨脹과 現代 宇宙論」에서 다룹니다.

퀘이사의 赤色적색 偏移편이가 얼마나 큰지는 數値수치로 따져 보면 分明분명해집니다. 赤色적색 偏移편이의 크기는 $z = \dfrac{\lambda_{\text{관측}} - \lambda_{\text{본래}}}{\lambda_{\text{본래}}}$로 나타내는데, 3C 273의 $z$는 約약 0.158입니다. 實驗室실험실에서 486 nm에 나타나는 水素수소의 $H\beta$ 線선이 3C 273에서는 約약 563 nm에서 觀測관측된다는 뜻으로, 波長파장이 16% 가까이 길어진 것입니다. 速度속도가 빛의 速度속도보다 充分충분히 작을 때는 $v \approx cz$로 後退후퇴 速度속도를 어림할 수 있으므로, 3C 273은 秒速초속 約약 47,000 km, 곧 빛의 速度속도의 16% 程度정도로 멀어지고 있는 셈입니다. 우리 銀河은하 안의 별들이 보이는 視線시선 速度속도가 大槪대개 秒速초속 수십~수백 km에 그치는 것과 견주면, 이 값은 우리 銀河은하 안의 天體천체로는 到底도저히 說明설명할 수 없습니다. 퀘이사가 별처럼 보이지만 별이 아니라 아주 먼 天體천체라는 結論결론은 바로 이 數値수치에서 나옵니다.

3C 273은 約약 24億억 光年광년 떨어져 있는데도 별처럼 보일 만큼 밝아서, 그 光度광도는 우리 銀河은하 全體전체의 100倍배가 넘습니다. 오늘날에는 퀘이사가 매우 먼 銀河은하의 中心核중심핵이며, 그 밝기가 너무 커서 周圍주위의 銀河은하가 묻혀 보이지 않는다는 것이 알려졌습니다. 퀘이사가 大部分대부분 먼 宇宙우주, 곧 오래전의 宇宙우주에서 發見발견된다는 것은 宇宙우주 初期초기에 이런 活動활동이 훨씬 活潑활발했음을 보여 줍니다.

活動활동 銀河核은하핵

電波전파 銀河은하, 세이퍼트 銀河은하, 퀘이사는 모두 銀河은하 中心중심의 매우 작은 領域영역에서 엄청난 에너지가 나온다는 共通點공통점이 있습니다. 이런 中心核중심핵을 活動활동 銀河核은하핵이라 합니다. 그 에너지源원은 銀河은하 中心중심의 超大質量초대질량 블랙홀입니다. 블랙홀로 빨려 들어가는 氣體기체는 바로 떨어지지 않고 블랙홀 周圍주위를 돌며 圓盤원반을 이루는데, 이 降着강착 圓盤원반에서 氣體기체가 摩擦마찰로 매우 높은 溫度온도로 加熱가열되어 엄청난 빛을 냅니다. 떨어지는 物質물질의 重力중력 位置위치 에너지가 빛으로 바뀌는 이 過程과정은 核融合핵융합보다 훨씬 效率효율이 높습니다. 一部일부 物質물질은 블랙홀의 回轉회전과 磁場자장에 依의해 兩양쪽 極극 方向방향으로 빛에 가까운 速度속도로 뿜어져 제트가 됩니다.

같은 活動활동 銀河核은하핵이라도 우리가 어느 方向방향에서 바라보느냐에 따라 다르게 보인다는 생각을 統合통합 模型모형이라 합니다. 降着강착 圓盤원반을 正面정면에 가깝게 보면 밝은 中心核중심핵과 빠른 氣體기체가 直接직접 보이고, 옆에서 보면 周圍주위의 두꺼운 먼지 고리에 가려 中心核중심핵이 잘 보이지 않습니다. 제트를 거의 正面정면으로 바라보면 매우 밝고 빠르게 變변하는 天體천체로 보입니다. 서로 다른 이름으로 불리던 特異특이 銀河은하들이 事實사실은 같은 構造구조를 다른 角度각도에서 본 것일 수 있다는 것입니다.

2019秊년 事件사건의 地平線지평선 望遠鏡망원경 硏究陣연구진은 處女처녀자리 銀河團은하단의 巨大거대 楕圓타원 銀河은하 M87 中心중심에 있는 블랙홀의 그림자를 人類인류 最初최초로 映像영상에 담았습니다. 이 블랙홀의 質量질량은 太陽태양의 約약 65億억 倍배이며, M87은 强力강력한 제트를 내뿜는 電波전파 銀河은하이기도 합니다. 活動활동 銀河核은하핵이 超大質量초대질량 블랙홀이라는 理論이론이 直接직접적인 觀測관측 證據증거를 얻은 것입니다.

衝突충돌 銀河은하

銀河은하들은 宇宙우주 空間공간에서 서로 衝突충돌하기도 합니다. 銀河은하 사이의 距離거리는 銀河은하 크기의 수十십 倍배 程度정도에 不過불과해, 별 사이의 距離거리가 별 크기의 수千萬천만 倍배인 것에 比비하면 銀河은하끼리는 매우 가까이 있는 셈입니다. 두 銀河은하가 衝突충돌해도 별과 별이 直接직접 부딪히는 일은 거의 없지만, 서로의 重力중력 때문에 模樣모양이 크게 일그러지고 긴 꼬리가 생깁니다. 두 개의 긴 꼬리가 昆蟲곤충의 더듬이처럼 뻗은 더듬이 銀河은하가 有名유명한 例예입니다. 衝突충돌로 氣體기체가 壓縮압축되면 새로운 별이 爆發的폭발적으로 태어나는데, 이렇게 별의 生成생성이 매우 活潑활발한 銀河은하를 爆發的폭발적 별 生成생성 銀河은하라 합니다. 衝突충돌 銀河은하는 가까운 宇宙우주에서 일어나는 銀河은하의 進化진화 現場현장입니다.

우리 銀河은하와 안드로메다 銀河은하도 서로 가까워지고 있어, 수十億십억 秊년 뒤에 衝突충돌하거나 아주 가까이 스쳐 지나갈 것으로 豫測예측됩니다. 그때 두 銀河은하가 合體합체하면 巨大거대한 楕圓타원 銀河은하가 될 수도 있습니다.

整理정리

銀河은하의 模樣모양은 그 銀河은하가 지나온 歷史역사를 담고 있습니다. 氣體기체를 간직한 螺旋나선 銀河은하는 只今지금도 별을 만들고 있고, 氣體기체를 다 쓰거나 合體합체를 겪은 楕圓타원 銀河은하는 늙은 별들만 남아 있습니다. 그리고 特異특이 銀河은하들은 銀河은하의 中心중심에 超大質量초대질량 블랙홀이라는 엄청난 에너지源원이 숨어 있음을 알려 줍니다. 별 하나하나의 一生일생을 넘어, 銀河은하라는 더 큰 單位단위에서도 宇宙우주는 끊임없이 變변하고 있습니다.