우리 우주 이야기 - 은하계 편 1부

 

오늘은 지난번 글, 태양계에 대한 이야기에 이어서 태양계 그 자체가 소속된 우리 은하계에 대한 이야기를 해보도록 하겠다. 또한 우리 은하와 같은 구조를 가진 또다른 거대한 별의 무리인 다른 은하에 대한 이야기도 해 볼 생각이다.

 

우리말로는 은하, 영어로는 갤럭시라고 불리우는 이 무수히 많은 별의 무리는 달이 지구를 돌 듯, 지구가 태양을 돌 듯, 태양 그 자체가 은하 중심부를 축으로 돌고 있음으로서 그것에 대한 소속감을 갖는다. 즉 지구나 목성, 토성과 같은 행성이 태양 중력장의 영향으로 인해 주위를 돌기 때문에 태양계에 소속되어 있다고 표현 하는 것처럼 태양 역시도 은하의 중심을 축으로 아주 오랜시간 동안에 걸쳐 회전을 하고 있기에 그렇다.

 

실제로 은하들은 별들의 그룹 중 가장 최 상위 단체이다. 이 은하들에 대해 이해를 하기 위해, 예를 들어 지구를 하나의 우주로 표현했을 때 200여개가 넘은 각 나라와 같은 레벨로 이해하면 된다. 즉 우리 개개인이 태양과 같은 항성이라고 가정할 때 그 자신이 속한 나라의 법률에 지배를 받는 것처럼 은하에 속한 항성들 역시 그 자신이 속한 은하의 지배하에 있는 것이다. 그리고 은하를 넘어서는 순간 바로 우주가 된다. 즉 우주를 분류 하자면 우주 - 은하계 - 항성계(태양계) - 행성계(지구 - 달) 네 단계로 분류가 되는 것이다.

 

은하는 그 움직임이 독자적인 첫번째 단위이다. 물론 근접한 은하들은 서로 끌어당겨 합쳐지기도 하지만 보통은 각 나라들처럼 각자의 통치 시스템을 가지고 존재한다. 그리고 그 규모들 역시 미국이나 중국과 같은 나라처럼 거대한 크기들도 있고 싱가폴과 같은 아주 작은 은하들도 있다.

 

인간은 원래 모든 자연 사물을 연구하는 방법으로 분류를 통해 접근을 한다. 즉 우리는 구분이 가능한 큰 덩어리로 나눈 후 다시 세분화 시키고 그것에서 또 세분화 시키는 형태의 분류법에 매우 익숙하다는 뜻이다. 그래서 우린 우주를 구성하는 요소 중 하나로 은하에 대한 분류법을 이용하는데 그 분류의 근간이 되는 것은 아주 단순하게 바로 형태와 크기이다.

 

은하의 외형에 따라 분류하면 몇 가지 되지 않는다. 일단 가장 흔하게 접하는 은하의 모습은 바로 몇 개의 나선 팔을 가진 원반형 나선 은하이다. 그리고 거대한 둥근 구의 형태를 띤 타원형 은하가 있고 그리고 이 둘에 소속되지 못한 불규칙 은하가 있다. 거기에 더해 나선형 은하와 타원형 은하 중간의 모습을 가진 렌즈형 은하도 있으나 매우 드물다. 보통 은하는 나선형이 일반적인 형태이고 어떤 이유로 인해 거대한 은하 두개 이상이 합쳐지면 타원형 은하가 된다. 그런데 그 합쳐지는 중간 상태라든가 혹은 어떤 중력작용으로 인해 그 형태가 틀어지게 되면 이것을 불규칙 은하로 분류 되는 것이다.

 

은하를 크기에 따라 분류하면 일반 은하와 왜소 은하로 구분이 되는데 실제로 우리 우주엔 왜소 은하가 대부분을 차지하고 있다. 또한 이런 왜소 은하들은 주변의 거대한 은하의 위성 은하로서 소속되어 그 자신에게 영향을 미치는 거대 은하의 중력장에 영향을 받아 같이 움직인다.

 

우리가 소속된 은하는 나선형 은하이면서 일반 은하이다. 즉 우리 태양계는 매우 일반적인 형태를 띈 거대 은하에 소속되어 있는 셈인데 우리 은하 역시도 유명한 왜소 은하를 거느리고 있다. 그것이 바로 대 마젤란 은하와 소 마젤란 은하인데 이 두 은하는 남반구에서만 관측되기 때문에 호주쪽 여행을 가보지 못한 사람은 구경하기가 불가능 하다.

 

 

과거 망원경이 발명되어 갈릴레오에 의해 천문 관측용으로 사용된 이래 인간은 하늘에 숨겨진 많은 비밀을 밝혀 왔다. 그리고 그 중에서 일반 별과 다른 어떤 형체들을 발견 했는데 그것을 1774년 프랑스 천문학자 샤를 메시에가 목록을 만들어서 발표했다. 이것이 바로 유명한 메시에 목록이라고 불리우는 총 110개의 DSO이다. DSO는 Deep Sky Object 의 약자로 밤하늘에 희미하게 보이는 별이 아닌 천체를 말한다.

 

하지만 초창기 천문학자들은 은하의 존재를 상상도 하지 못했다. 그래서 그런 종류의 희미한 천체를 가르켜 성운이라고 표현했고 그때 정해진 명칭으로 인해 지금은 은하로 밝혀진 존재들도 한때는 안드로메다 성운이나 마젤란 성운 등으로 불리기도 했었다. 실제로 안드로메다와 같은 존재가 우리 은하와는 별도로 분리된 고유한 다른 천체인지 아니면 우리 은하에 소속된 것인지에 대해서는 20세기 초반까지도 과학계에서 의견이 분분했다. 그리고 그것은 결국 미국의 천문학자 에드윈 허블의 관측 결과에 의해 최종 결론을 낼 수 있게 된다. 그 방법은 바로 안드로메다 은하에 속한 세페이드 변광성의 변광주기를 이용해 거리를 측정해 낸 것이다. 그리고 이렇게 측정한 방법에 따르면 안드로메다는 우리의 상상보다 훨씬 더 먼 거리에 있었다.

 

우리 은하의 가장 가까운 대규모 은하는 바로 안드로메다 은하이다. 우리와 약 200만 광년 정도 떨어져 있는데 우리 은하와는 언젠가 충돌을 하게 된다고 한다. 아마도 그때가 되면 우리 은하는 이 아름다운 나선의 모습을 잃고 타원 은하로 변화될 것이다. 슬픈 일이긴 한데 50억년 후에나 일어날 일이라서 그리 현실적인 슬픔은 아니다.

 

 

그림 1) 안드로메다 은하. 두개의 노란색 원은 각각 안드로메다 은하의 위성 은하이다.

 

아무튼 초창기 천체에 대한 최초의 분류인 메시에 목록을 보면 은하, 성단, 성운 등이 뒤섞여 있는데 성운과 성단등에 비해 은하는 완전히 다른 존재들이다. 보통 요즘도 하늘 보기를 좋아하는 사람들도 단순히 메시에 목록만을 관측하는 행위를 통해 그들의 존재에 대해 큰 차이를 못느끼지만 우리가 M42 라고 부르는 오리온 성운과 M31로 분류된 안드로메다는 그 크기와 거리가 정말 비교도 안될 만큼 큰 차이가 나는 것이 사실이다. 하지만 우린 모든 것을 상대적으로만 보기에 이 둘이 마치 거의 동일한 것처럼 인식하는 것이다. 그리고 이것은 비단 메시에 목록과 같은 천체에서만 나타나는 현상이 아니다.

 

맑은 여름철 밤하늘 어두운 곳에서 하늘을 바라보면 직녀성인 거문고 자리 베가와 견우성인 독수리 자리의 알타이르 사이에 카시오페이아 자리에서 시작되어 백조자리 알파별 데이브를 관통해 궁수자리까지 뻗은 희미한 뿌연색 구름 같은 것이 보인다. 이것이 바로 우리 은하의 모습인데 이렇게 보이는 이유는 바로 원반의 측면을 보기 때문이다. 마치 그것은 둥글지만 얇은 접시의 옆면을 바라보는 듯한 모습인데 그래서 결국 원반형 나선은하인 우리 은하를 1자 형태로 된 구조물로 인식을 하는 것이다. 그리고 나머지 공간엔 초롱초롱한 별이 보인다.

 

우리가 바라보는 밤하늘엔 무척 많은 별들이 있다. 그렇다면 이런 별들과 은하는 어떤 관계일까? 안드로메다 은하가 독립적인 하나의 은하라고 봤을 때 그리고 여름철 밤하늘을 화려하게 수놓는 우리 은하수의 모습을 우리가 속한 은하로 볼 때, 우리가  북두칠성, 카시오페이아 자리를 구성하는 별들, 북극성, 시리우스, 베가 등으로 칭해지는 이 밝은 별들은 도대체 어디에 있는 것일까? 이 질문은 매우 단순하면서도 생각을 해보지 않았다면 좀 헷갈릴 수 있는 내용이다. 도대체 우리가 속한 은하수는 밤하늘에 일정 공간만 차지하고 있고 심지어 겨울철엔 아예 보기도 힘든데 그렇다면 이 별들은 은하에 속하지 않은 별들인가?

 

조금만 시간을 두고 생각해보면 이 별들은 모두 은하에 소속되어 있는 우리 이웃 별들이다. 하지만 너무 가깝게 있어서 그 위치가 그렇게 인식되는 것이다. 우주의 단위로 보면 기껏해야 수백 광년에서 수천 광년 떨어진 공간에 있는 태양의 이웃 항성이라서 그렇게 사방에 나타나게 된다. 그것은 마치 아주 먼 곳에서 산속에서 자라고 있는 나무들은 일정공간에만 있는 것으로 인식되지만 실제로 그 산으로 들어가면 나무는 특정 공간이 아닌 사방에 존재하는 듯한 효과를 주는 것이다.

 

이런식으로 우리에게서 먼 별들은 그져 뿌연 연기처럼 보일 뿐이고 우리 태양계에 비교적 가까운 별들만이 우리들의 눈에 밝게 빛나는 별로 인식되는 것이다. 즉 밤하늘을 가득 채우는 밝은 별들은 모두 그저 우리에게 가까운 별이기에 그렇게 보이는 것이다.

 

하지만 우리의 눈은 그저 모든 별로부터 도착하고 있는 그 빛만을 인식하기에 마치 우주가 지구를 둘러싼 거대한 둥근 검은 막에 박혀 있는 밝은 빛을 내는 물체로만 인식하다. 즉 거리에 대한 인식은 거의 하지 못하고 단지 그 밝음만으로 인식을 하는 것이다. 이것을 천문학 용어로 겉보기 등급이라고 한다. 이것은 절대 등급과는 다른 개념이며 절대 등급은 그 대상의 실제 밝기이고 반대로 겉보기 등급은 그 대상의 눈에 보이는 밝기를 의미한다. 물론 천문학을 연구하는 사람들에게는 절대 등급이 중요하겠지만 실제로 일반인들에게는 그저 내 눈에 보이는 밝기가 중요하기에 겉보기 등급이 중요하다.

 

또한 그런 천체들은 크기로도 분류가 된다. 이 역시 절대 크기와 겉보기 크기가 있는데 여기에서도 겉보기 크기가 중요하다.

 

우리 지구 기준으로 밤하늘에서 가장 밝은 대상은 바로 달이다. 특히 만월인 보름달이 되면 많은 아마추어 천문인들은 관측을 포기해야 할 만큼 달은 너무도 밝은 대상이다. 그리고 대부분의 관측은 달이 작거나 없는 그믐을 중심으로 이루어지고 있다. 그리고 그 다음으로 밝은 대상은 바로 행성들이다. 그 중에서 금성, 목성, 토성은 확실하게 밝아서 사람들의 눈에 잘 띈다. 하지만 달이나 이들 행성은 모두 태양의 빛을 반사하는 것일 뿐 실제로 그 자신이 빛을 내지 못한다.

 

이들을 제외하고 스스로 빛을 내는 별로 넘어가보면(물론 겉보기 기준이다) 단연코 가을/겨울에 밤하늘에서 가장 밝은 별인 큰개 자리 알파 별 시리우스가 있다. 그렇다면 시리우스가 밝은 이유가 무엇일까? 당연히 가까워서 그렇다. 시리우스는 지구와 겨우 8광년 정도 떨어진 항성이다. 북반구만을 기준으로 볼 때 그 다음 밝은 별은 봄철에 뜨며 목동별로 알려진 목동자리 알파 별 아크투르스가 있다. 그리고 여름철에 뜨며 우리에겐 직녀성이라고 알려진 거문고자리 알파별 베가도 있다. 그 뒤로 마차부 자리 카펠라, 오리온 자리 리겔, 작은개 자리 프로키온, 오리온 자리 베텔기우스 등이 이어진다.

 

이 별들 중 리겔과 베텔기우스는 수광년에서 수십광년 떨어진 밝은 별들과 다르게 우리로부터 600광년 넘게 떨어진 곳에 위치하고 있지만 그렇게 밝게 빛나는 이유가 바로 이 별들이 엄청난 크기를 자랑하기 때문인데 실제로 베텔기우스 같은 경우 우리 태양계에 있게 된다면 그 지름이 거의 목성에 다다를 만큼 어마어마한 크기를 자랑하는 적색거성이다. 이 별은 우주 기준으로 얼마 안있어 대폭발을 일으킬 것이라고 예상되고 있는데 이 경우 꽤나 볼만한 폭발장면이 나타날 듯 싶다. 그리고 그 경우에 베텔기우스가 소속된 오리온 자리는 밝은 별 하나가 자리를 비움으로서 살아 생전에 유일하게 변화된 별자리를 본 사람들이 될 가능성이 있다.

 

아무튼 우리가 보는 별은 모두 가깝다. 우리 은하의 지름이 약 10만 광년이라고 하는데 우리 눈에 보이는 대부분의 별과 성운은 아무리 멀어야 만광년 이내라고 보면 된다. 하지만 또 은하들은 기본적으로 가장 가까운 안드로메다까지의 거리인 200만 광년 이상 떨어져 있다. 이 공간 거리의 차이가 머리 속에서 인식이 되기란 실제로 불가능하다. 단순히 말해서 우리가 오늘 보는 안드로메다 성운은 200만년 전 그곳에서 출발한 빛이다. 200만년 전이라면 인류는 구석기 시대도 아닌 거의 반쯤 원숭이였던 시절이다.

 

이 우주는 이런 은하들이 수천억개 존재하는 공간이다. 하지만 우리의 맨눈으로는 거의 몇개의 은하만을 볼 수 있을 뿐이다. 그리고 설령 아마추어들이 갖춘 장비를 사용하더라도 겨우 수십개의 존재만을 확인 가능하다. 그리고 사진을 찍는다면 수백개 정도까지는 확인 할 수 있다.

 

글이 너무 길어져서 이쯤에서 줄여야 겠지만 은하계 편은 좀 더 써야겠다. 생각해보니 이것에 대한 이야기가 꽤나 많다.