은하수의 구조와 진화

은하수의 구조와 진화

은하수

1. 은하수의 구조

 은하수의 주요 부분은 핵, 원반, 그리고 헤일로 세 개로 구성되어 있다. 젊은 별들과 가스와 먼지로 이루어진 성간 운이 있는 원반은 은하수의 가장 중요한 부분으로 약 10만 광년의 지름과 약 1천 광년의 두께를 가지고 있다. 태양은 원반의 중심면에서 약간 위에 위치에 있고 은하 중심에서의 거리는 약 3만 광년이다. 은하계의 중심부는 팽대부가 있는데, 팽대부는 볼록하게 부풀어져 있으며 그 가운데에 중심핵이 놓여있다. 헤일로는 중심핵과 원반을 둘러싸고 있으며 주로 늙은 별들로 둘러싸여 있어 지름이 12만 광년정도 된다. 
 우리는 은하수에 둘러싸여 있고 성간 먼지가 시야를 가리기 때문에 우리는 은하의 모양을 광학적으로 알아내기가 쉽지 않다. 중성 수소에서 나오는 파장의 스펙트럼선과 일산화탄소에서 나오는 선으로 은하수의 구조를 알아내는 데 주로 사용하는 전파이다. 이 물질들은 성간운을 형성하고 있고 나선팔에 모여 있다. 나선팔을 알아내기 위하여는 전파선을 여러 움직임에 따라 관측해야 하며 이 선들이 움직이는 도플러 이동을 관측해야 한다. 은하면의 점들이 서로 다른 회전속도로 움직이므로 거리에 따라 전파선들에는 다른 도플러 이동이 나타난다. 은하의 회전의 규칙성을 알면 전파선으로부터 성간운의 거리를 알 수 있어 나선구조를 알 수 있으나 회전 패턴이 자세하게 알려지지 않고 있고 성간운들도 마음대로 움직이므로 성간운의 거리를 측정하는 데는 어려움이 따른다. 은하수의 구조를 알아내는데 많은 어려움이 있음에도 불구하고 천문학 관측으로부터 우리 은하는 별과 성간 물질이 모여서 이루어진 팔의 구조를 가진 나선은하라는 대략적인 구조는 알려졌다. 

2. 은하수의 회전

 은하수는 은하 중심 주변을 움직이고 있다. 은하수의 회전축은 은하 가운데를 통과하는 은하면에 수직에 있다. 이런 회전으로 은하수의 모습은 납작하게 보인다. 은하수의 회전이 회전 각속도가 은하 중심으로부터의 거리에 따라 다르다는 의미인 차등회전임을 네덜란드의 오트는 알아냈다. 회전곡선에 나타난 은하수의 회전을 보면 회전속도가 급격히 상승하다가 서서히 떨어지는 특성을 보인다. 태양의 괘속속도는 2억 5천만 년에 은하계를 한 바퀴 돌 수 있는 초속이 약 220km이다. 50억 년 동안 태양은 20번 이상 은하 중심을 돌았다. 회전 속도는 은하계 바깥으로 나가면서 증가하다가 4만~5만 광년에서 수평을 유지한다. 
 회전은 중력의 지배를 받는데, 은하수가 은하수 내 물질의 분포로 인해 차등회전을 한다. 은하수의 모든 질량이 은하 중심에 있다면 별들이 은하수 중심을 회전할 것이다. 이때 회전속도는 케플러의 법칙에 따라 은하에서부터 거리가 올라갈수록 감소한다. 케플러의 법칙이란 회전속도가 거리의 증가에 따라 감소하는 현상을 뜻하며 이를 케플러의 회전이라고 한다. 은하수의 회전이 케플러 회전을 하지 않는 것은 은하수의 거의 대부분 질량이 중심에 있지 않음을 말한다. 그리고 은하수 내의 모든 물질이 은하 중심에서 회전운동을 한다고 정확하게 원운동을 하는 것은 아니다. 각각의 별들은 은하 회전운동을 하면서 이상적인 원운동에서 벗어나는 자신만의 특이운동을 한다. 

3. 나선구조의 진화

 천문학자들에게 은하가 나선 구조가 있다는 것을 알게 되면서 두가지 궁금증이 생겼다. 첫째는 어떤 물질들이 나선 팔에 묶어 두느냐 하는 것이고, 둘째는 이 팔이 어떻게 오랫동안 유지될 수 있느냐 하는 것이다. 
 은하계 밖에 있는 팔이 안쪽에 있는 팔보다 늦게 돌기 때문에 여러 번 돌면 팔은 자연히 감기게 되고 그 팔은 사라지게 된다. 은하가 태양계가 생긴 후에도 수 회 이상 돌았음에도 불구하고 팔은 여전히 선명하게 보인다. 나선 팔은 우리 은하에만 존재하는 것이 아니다. 우주에서 보이는 밝고 외곽에 있는 은하의 60% 이상이 나선 은하이다. 나선 팔을 지속시키는 것이 우리 은하계뿐만 아니라 많은 은하들을 지배하고 있다고 볼 수 있다.
 이런 문제를 해결하기 위하여 밀도파 이론이 가장 유력하게 제시 되었다. 밀도파 이론에 따르면 나선형으로 회전을 하는 파동이 우리 은하를 차지한다. 물질은 은하 중심의 주위를 움직이면서 이 파동의 중력을 받아 팔을 움직인다. 이 파동에 의해서 물질이 팔과 팔 사이에서는 빠르게 회전하고, 팔에 도착하면 속도가 느려져서 물질은 팔에 모이게 된다. 

4. 은하수의 중심부

 은하수의 사진을 보면 중심부가 튀어나오는 공과 같은 둥근 모습을 하는 팽대부가 보인다. 은하수의 중심핵은 성간 먼지에 의한 별빛의 흡수로 인해 관측이 어렵다. 그래서 비슷한 조건의 다른 은하를 관측하여 은하수의 상태를 유추할 수밖에 없다. 중심부를 보면 낮은 온도와 나이가 많은 별들로 구성되어 있다. 
 은하수의 중심부에는 특이하고 다양한 활동이 많이 일어나며 전파, 적외선, X-선 등도 관측된다. 중심핵 부분에는 블랙 홀일지도 모르는 높은 질량의 집중현상이 보인다. 
 은하 중심의 방향에는 강력한 전파원인 궁수자리 A가 놓여있다. 이 전파원에서 양쪽으로 여러 개의 군소 전파원들이 나열되어 있다. 이 전파원들은 나이가 어린 별에 의해서 이온화된 가스로 이루어진 특성을 가지고 있다. 궁수자리 A전파원 자체는 복합적인 구조를 가지고 있으며 열적 복사라는 전파가 방출된다. 그곳은 적외선의 선원이기도 하며 이곳에서 바로 은하수의 중심핵이 놓여 있다. 그중 일부는 싱크로트론 복사라는 비열적 복사가 자기장 주위를 선회하면서 높은 에너지를 낸다. 이곳에서 수백만 개의 태양에 해당되는 가스의 양을 배출한다. 이 방대한 양의 물질을 보아 은하수 중심의 물질은 작은 공간에 모여있다는 것으로 생각된다.