우리 우주 이야기 - 은하계 편 2부

 

이 글은 지난번에 쓴 우리 우주 이야기 은하계 편 1부에 이어서 추가로 설명할 내용으로 구성된다. 혹시 이 글을 먼저 접하신 분이라면 1편을 먼저 읽고 오시는 것이 순서상 좋을 것 같다. 뭐 하지만 꼭 읽지 않아도 이해 하는데는 큰 무리가 없을 것이다.

 

지난번 글에서 우리 태양계가 은하의 중심을 축으로 회전하고 있다고 설명했었다. 그런데 우리 태양계는 왜 은하계의 주변을 회전하고 있을까? 오늘 이 시간엔 그것에 대한 설명으로 글을 시작해 보겠다.

 

우리는 지구가 태양의 중심을 축으로 공전을 하고 있다는 과학적 사실을 거의 대부분 알고 있다. 그리고 19세기까지도 우린 지구가 태양의 주변을 '돈다' 라고 표현을 했었고 요즘도 그런 표현이 매우 일반적으로 보급되어 있다. 하지만 지금으로부터 약 100년 전쯤 태어난 한 천재 물리학자가 지구가 태양을 도는 것이 아니라고 말했다.

 

그 물리학자의 이름은 아인슈타인이고 그의 설명에 의하면 우린 태양의 중력이 만들어 낸 시공간의 휨 현상이 존재하는 곳에서 단지 직진을 하고 있을 뿐이라고 표현했다. 이것은 구불구불하게 휜 물 호수를 통과하는 물은 아무리 직진을 한다고 해도 결국 호스의 굴곡에 따라서 진행될 수 밖에 없는 것을 뜻한다.

 

시공간의 휨 현상은 보통 고무로 만들어진 표면을 가진 물체의 중심부분을 아랫 방향으로 쭉 잡아 댕긴 모양을 가지고 설명을 한다. 즉 거기에 공을 직진으로 굴려도 중심을 향해 기울어진 각도 때문에 공은 결국 중심부를 향해 돌고 돌아서 결국엔 중심부로 빠져 버린다. 하지만 이 물체의 속도가 줄지 않는다고 가정하고 중심부로 빠지는 구심력과 밖으로 튀어나가려는 원심력이 균형을 이루게 되면 이 물체는 그저 그 주변을 빙빙 돌게만 된다. 이것을 우리가 주변을 돌고 있다고 표현하는 것이다.

 

이런 동일한 원리로 태양도 역시 지구처럼 은하의 중심부를 축으로 돈다. 그렇다면 우리 은하계 전체는 은하계 중심부가 만들어 낸 거대한 중력장의 시공간 휨 현상에 의해 돌고 있다는 뜻이 된다. 그렇다면 과연 은하계의 중심부엔 무엇이 있기에 지름이 십 만광년이나 되는 공간에 그 중력의 영향을 미치고 있는 것일까?

 

우리의 은하 중심부는 별자리로 치면 궁수자리쯤 위치하고 있다. 하지만 그곳은 아주 밝은 별들이 많이 모여 있어서 관찰하기가 용이하지 않는 면이 있었는데 결국 2002년도에 대기 굴절를 보정해주는 광학 보정장치를(이 장치는 원래 군사용으로 개발되었다가 민간에게 이관된 기술이다) 이용한 일부 천문학자들이 중심부를 축으로 돌고 있는 거대 항성들의 사진을 찍는데 성공했다. 하지만 정작 중요한 것은 그들이 찍은 사진에는 그 중심부로 추측되는 부근에서는 그 어떤 존재도 찾을 수 없었다. 즉 우리는 보이지도 않는 유령같은 존재를 중심으로 돌고 있었던 것이다.

 

이 미스테리는 결국 우리 은하의 중심부에 눈에 보이지 않는 거대 질량체가 있음을 말해주는 것으로 해석되었고 이것은 결국 천문학자들이 오래 찾아 헤맨 블랙홀의 존재를 뜻하는 것을 알아채게 되었다. 물론 블랙홀의 존재는 이미 그 전에 관측된 바가 있어서 이것이 첫번째 관측은 아니었다. 하지만 그 누구도 이렇게 거대한 블랙홀이 우주상에 존재하리라곤 상상도 하지 못했다.

 

천문학계에서는 이 존재의 이름을 궁수자리 A* 라고 이름 지었으며 현재 까지도 계속 연구 중인 것으로 알려져 있다. 아무튼 이 초 거대 블랙홀의 관측은 이후 은하계의 생성에 대한 과학적 해석에 대한 부분에도 큰 영향을 미쳤다. 그래서 은하계 탄생 자체에 있어서 블랙홀의 존재가 큰 역할을 한 것으로 해석되기도 한다. 즉 어떤 블랙홀의 존재로 인해 은하계 자체가 생성되었을 수 있다는 가설이다. 실제로 우리 주변에 있는 다른 은하들을 관측했을 때 많은 은하들이 중심부에 거대 블랙홀을 가지고 있다는 것도 사실로 밝혀졌는데 그것을 토대로 보면 결국 블랙홀은 별이 모이는데 있어서 일종의 씨앗 노릇을 하고 이후 점점 더 많은 별들이 흡수되면서 거대하게 질량이 엄청나게 커진 블랙홀이 거대한 별의 무리를 거느린 거대 은하로 자라나게 되었다는 가설이다.

 

현재까지 알려진 바에 의하면, 우리 은하 중심부에 존재하는 블랙홀은 그 크기가 약 24km 이며 질량은 태양의 300만배 정도 된다고 하는데 단순하게 생각을 해보면 서울 정도의 크기를 가진 존재가 태양의 300만배의 질량을 가지고 있다면 거기에 있는 모래 정도의 크기는 과연 질량이 얼마나 될까? 아마도 지구보다도 더 무거울 것이다. 이것이 바로 블랙홀의 초고도 중력장의 원천이라고 보면 된다. 즉 너무 중력이 강해서 빛조차 빠져나오지 못하는.. 말 그대로 암흑의 존재이 바로 그것인 것이다.

 

우리 태양계는 이 중심부로부터 약 3만 광년 정도 떨어져 있는 것으로 알려져 있는데, 은하의 반지름이 5만 광년쯤 되니 우린 꽤나 주변부에 있는 셈이다. 그리고 우리 은하의 두께는 약 1만 5천광년 정도로 알려져 있고 우리가 가끔 보는 은하 사진에 찍힌 모습이 바로 1만 오천 광년의 두께와 10만광년의 길이를 가진 존재라고 생각하면 된다.

 

우리 은하는 큰 두개의 나선팔을 가졌을 것이라고 예측되고 있으며 우리 태양계는 그 중에서 그리 많은 별이 모여 있지 않는 한적한 외부에 존재하고 있어서 그나마 안전하게 은하계를 돌고 있다고 가정되고 있다. 그리고 태양계는 초속 200km 정도의 속도로 중심부를 축으로 공전 중이면서 한바퀴를 공전하는 시간은 약 2억 6천만년이 걸린다고 하니 인간의 생명으로 보면 정말로 거의 무한대의 시간으로 느껴진다.

 

 

 

그림1) 우리 은하 사진 - 우린 측면 만을 볼 수 있기에 이렇게 길게만 찍힌다.

 

우리 은하 주변의 은하로는 안드로메다 은하가 가장 유명하고 삼각형 자리에 있는 소용돌이 은하 역시 꽤나 큰 크기를 보여주고 있다. 하지만 이 은하는 얼마 후에(?) 안드로메다 은하에게 흡수 될 운명이라고 한다. 물론 얼마 후란 의미는 우리가 상상할 수 있는 시간의 개념은 아니다.

 

지난번 글에도 말했듯 이런 은하들 역시 작게는 수십개에서 많게는 수천개까지 그룹을 지어서 움직이는 경우가 있는데 이것을 바로 은하단이라고 칭한다. 그리고 그런 은하단 중에서 가장 유명한 것은 바로 처녀자리 은하단과 머리털 자리 은하단이다. 특히 처녀자리 은하단은 다른 말로 마카리안 체인이란 말로 칭하기도 하며 아마추어급 천문 촬영 작가들에게도 매력적인 촬영 대상으로 알려져 있다.

 

처녀자리 은하단은 우리 은하로부터 평균 약 5천만 광년 정도 떨어져 있으며 초속 1100km 정도의 속도로 멀어지고 있고, 머리털자리 은하단은 2억 광년 넘게 떨어져 있고 우리 은하와는 초속 6700km 정도의 속도로 멀어지고 있다. 과거 천문학자인 허블은 주변의 은하들이 우리 은하로부터 모두 멀어지는 적색편이 현상을 관측함으로서 우주가 팽창하고 있다는 가설을 만들어내는데 일조 했는데 실제로 이 두 은하단의 이격 속도 차이만 봐도 우리로부터 멀리 떨어진 은하일수록 우리 은하와 더 빠르게 멀어지고 있음을 알 수 있다. 

 

이 우주 팽창설은 그 후 빅뱅이론 탄생의 씨앗을 제공 했으면 결국 우주의 시작이 있었고 우주 그 자체가 무한의 시간대나 무한의 공간을 가진 대상이 아닌 시작과 끝이 있으며 아주 오래 되었지만 셀 수 있는 나이를 먹은 존재라는 것도 거의 밝혀졌다.

 

은하는 많은 별들이 모인 무리이기도 하고 그 은하들이 모여서 거대한 은하단을 형성하여 그 안에서 은하들은 서로 먹고 먹히면서 거대한 은하를 형성하기도 하는 말 그대로 우주 진화의 살아 있는 현장이기도 하다. 물론 은하에 대한 연구는 아직도 걸음마 수준이며 현재 어느 천문 연구소에서는 우주에 있는 은하에 대한 지도를 오랜 시간에 걸쳐 제작을 하고 있다고 알려져 있다.

 

우리나라 고유어로는 미리내, 영어권에서는 밀키 웨이라고 부르는 여름철 밤하늘에 하늘을 가로지르면서 뿌옇게 보이는 이 존재는 바로 지금껏 과학적인 지식으로 설명한 우리 은하계의 측면에 해당된다. 하지만 요즘에 현대인에게 별과 은하수는 그리 익숙한 대상도 아니고 쉽게 접하기도 힘든 상황이다. 밝은 불빛이 너무 강한 도심에서의 밤엔 은하수를 절대 보지 못하며 서울과 같은 대도시라면 적어도 한시간 이상 차를 타고 외각 한적한 곳에 가야만 운이 좋으면 은하수 구경을 할 수 있다.

 

그래고 가끔은 한번 여름철 너무 하늘이 맑다 싶으면 그냥 서울을 벗어나 도심지를 피한 어떤 곳에 가 돗자리를 펴고 그냥 누워서 밤 하늘을 바라보는 것은 어떨까? 물론 모기나 벌레가 좀 귀찮게 하겠지만 아마도 평생 기억에 남을 추억을 만들 수 있을 것이란 상상은 해볼 수 있다.

 

* 지구는 매순간 초당 0.5km 속도로 자전을 하고, 30km 속도로 공전을 하며, 200km 속도로 은하를 돈다. 그러니 우린 지구의 중력장에 연결되어 매일 초당 230.5km 를 이동하는 시공간에 살고 있는 셈이다.