과학자 윌리엄 허셜이 들려주는 우주와 은하 이야기

작곡가이자 천문학자였던 윌리엄 허셜의 신비한 이야기, 우주와 은하에 대해 알아보겠습니다. 

 

우주는 무엇으로 이루어져 있을까요?

아주 오래전부터 사람들은 눈으로만 밤하늘을 관측해 왔습니다.

그 당시에도 밤하늘의 주인공은 단연 별이었습니다. 천문학자들은 별들이 만들어 내는 다양한 모습에 따라 각기 다른 이름을 붙였는데, 그것이 바로 별자리입니다.

 

우주에 스스로 빛을 내는 별들만 있는 것은 아닙니다. 별 주위를 도는 행성도 있고, 행성 주위를 도는 위성도 있고, 우주 공간을 떠돌아다니는 소행성들도 있습니다. 하지만 이들은 별빛을 반사할 뿐, 스스로 빛을 내지는 못합니다.

 

 

은하

그렇다면 우주에는 별들이 골고루 분포되어 있을까요? 사실, 그렇지 않습니다.

별이 많이 보여 있는 곳이 있는가 하면, 또 어떤 곳에는 별이 하나도 없습니다. 한편, 수많은 별들이 모여 있어 마치 별들의 섬처럼 보이는 곳을 은하라고 합니다.

 

은하는 아주 크기 때문에 은하의 크기를 나타내기 위해서는 긴 거리를 나타내는 단위가 필요합니다. 

주로 사용하는 단위는 광년인데, 1광년은 빛의 속력으로 1년 동안 간 거리를 말합니다. 그런데 빛은 1초에 지구를 일곱 바퀴 반이나 돌 수 있답니다. 약 30만 킬로미터를 달리는 것입니다.

 

1광년은 어느 정도의 거리일까요?

1년은 365일입니다. 하루는 24시간입니다. 1시간은 3,600초입니다. 그러므로 1년을 초로 바꾸면 31,536,000초가 됩니다.

1광년은 빛이 1년 동안 간 거리이므로 이것은 빛의 속력에 1년을 초로 바꾼 값을 곱하여 얻어집니다. 

즉 1광년은 9,460,800,000,000km입니다. 

광년으로 나타내면, 태양에서 우리 은하 중심까지의 거리는 3만 광년이고, 우리 은하의 지금은 10만 광년입니다.

 

여러 개의 은하가 하나의 집단을 이루는 경우도 있는데 이를 은하단이라고 부릅니다. 또한 은하단이 여러 개 모여서 하나의 집단을 이룬 것을 초은하단이라고 부릅니다.

성간물질

우주를 이루는 물질 중 가장 많은 원소는 수소입니다. 우주의 원소 중 4분의 3은 수소 기체이고 4분의 1은 헬륨 기체이며 다른 원소들은 아주 적습니다. 우주가 처음 태어나던 당시에는 헬륨도 거의 없고 온통 수소뿐이었습니다.

하지만 우주가 지금까지 150억 년을 살아오면서 수소 중 일부가 헬륨으로 바뀌었고 그러한 과정은 지금도 계속 진행되고 있습니다.

 

우주의 별과 별 사이에는 아무런 물질도 없는 것처럼 보이지만 사실 수소나 헬륨 같은 기체와 아주 작은 고체 입자들이 있습니다.

수소나 헬륨 같은 기체의 밀도는 1세제곱센티미터에 원자 한 개가 들어가 있는 정도로 매우 낮은 편입니다. 이렇게 별과 별 사이에 있는 기체 상태의 물질을 성간가스라고 합니다. 또한 별과 별 사이에 있는 아주 작은 고체 입자를 우주먼지라고 부르는데, 1970년 미국의 전파망원경에 의해 처음 발견되었습니다.

 

우주먼지를 구성하는 물질로는 물 · 철 · 규소의 산화물, 그리고 메탄 · 암모니아 같은 유기물질이 있으며, 그 크기는 10만 분의 1센티미터 정도입니다. 우주먼지의 밀도는 큰 방에 이러한 물질이 한 개가 있는 정도로 매우 낮습니다.

이렇게 우주 공간에서 별과 별 사이에 존재하는 성간가스와 우주먼지를 합쳐 성간물질이라고 부릅니다.

 

 

은하는 어떻게 생겼을까요?

은하를 처음 연구한 과학자는 바로 허셜입니다. 허셜은 모든 방향에서 보았을 때 별의 개수가 같고 위로는 별들이 별로 없으므로, 은하는 원반 모양이며 은하의 중심은 태양이라고 생각했습니다. 물론 허셜이 생각한 것처럼 태양이 은하의 중심에 있는 것은 아닙니다.

 

은하의 실제 모습

은하는 수조 개의 별들로 이루어져 있습니다. 이것이 얼마나 많은 양인가를 비유해 보면, 한 변의 길이가 10미터인 정육면체 상자에 모래를 가득 채웠을 때 모래알의 개수가 수조 개 정도입니다.

 

은하를 옆에서 보면 중앙이 불룩 튀어나온 거대한 원반 형태의 모양을 하고 있습니다. 은하의 지름은 10만 광년입니다. 그리고 두께는 은하의 중심 쪽은 3천 광년 정도로 두껍고 태양이 있는 쪽은 5백 광년 정도로 얇습니다.

은하의 중심에서 태양까지의 거리는 3만 광년 입니다. 그러니까 태양은 은하에서 꽤 변두리에 있는 별입니다.

 

은하를 위에서 본다면 어떨까요? 은하는 네 개의 나선팔을 가지고 소용돌이치는 모습을 하고 있습니다. 은하 한가운데에는 오래된 붉은 거성들이 많아 붉게 보이고, 나선 팔에는 젊은 별과 늙은 별들이 섞여 있습니다. 태양은 한쪽 나선 팔 중간쯤에 있습니다.

 

은하의 회전

행성들이 태양 주위를 돌듯, 은하도 은하의 중심을 두고 돕니다. 회전 속도는 은하의 중심 쪽은 빠르고 나선 팔 쪽은 느립니다.

은하는 약 2억 년에 한 바퀴를 돕니다. 그러니까 태양의 나이가 50억 살이므로 태양계는 이미 은하를 25번 정도 회전한 셈입니다.

 

그렇다면 어떻게 은하의 별들이 흩어지지 않고 은하의 중심 주위로 회전을 할 수 있을까요? 그것은 은하의 중심에 거대한 중력을 가진 물체가 있어 만유인력으로 나선 팔의 별들을 도망가지 못하게 붙잡기 때문입니다.

이 거대한 중력을 가진 천체는 바로 블랙홀입니다. 은하의 중심에 있는 블랙홀은 질량이 태양의 밴만 배 정도입니다.

 

 

은하의 종류는 어떤 것이 있을까요?

모든 은하가 다 위에서 내려다볼 때 나선 모양을 하고 있는 것은 아닙니다. 은하의 모양에 따라 세 종류로 나눌 수 있습니다.

 

나선은하

우리 은하나 안드로메다은하 같은 나선은하에 대해 알아보겠습니다. 나선은하는 중심에 핵이 있고, 나선 팔이 붙어 있는 납작한 원반 모양입니다. 나선은하 중에서 특히 가운데 별들이 긴 막대 모양으로 늘어서 있는 것을 막대나선은하라고 부릅니다. 이 은하에서 나선 팔은 중심에서 시작되지 않고 막대의 양 끝에서 시작됩니다.

나선은하의 크기는 보통 지름이 2만 광년에서 10만 광년 정도이고, 나선은하의 중심에는 오래된 별들이 많고 나선 팔에는 젊은 별들이 많이 있습니다. 

 

나선은하의 어떻게 만들어질까요? 나선은하는 바로 성간물질들의 회전 속도의 차이 때문에 생겨납니다. 즉 성간물질들이 회전할 때 물질마다 다른 속도로 회전하기 때문에 나선 모양이 만들어지는 것입니다. 나선은하의 나선 팔은 성간 물질들이 은하의 중심에서는 빠르게 회전하고, 바깥쪽에서는 느리게 회전하기 때문에 만들어집니다.

 

타원은하

타원은하는 이름 그대로 타원 모양으로 별이 퍼져 있는 은하입니다. 타원은하는 나선은하처럼 중심 주위를 회전하지 않습니다.

타원은하의 별들은 거의 대부분이 늙은 별들입니다. 그래서 붉은색으로 빛이 납니다.

 

불규칙은하

은하의 모양이 나선 모양이나 타원 모양이 아니라 불규칙적인 모양을 갖고 있는 은하를 불규칙은하라고 합니다. 대표적인 예로는 소마젤란은하와 대마젤란은하를 들 수 있습니다.