참세상

은하원반에 수직인 방향에서 위에서 내려다본 우리은하 은하수의 상상도다. 그림은 네 개의 주요 나선팔을 가진 나선은하 구조를 보여 준다. 출처: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt(SSC/Caltech), CC BY.

우리 행성은 아리스토텔레스나 프톨레마이오스 같은 고대 학자들이 주장했던 것과 달리 우주의 중심에서 멀리 떨어져 있다. 우리는 은하수라고 부르는 네 개의 특징적인 나선팔을 가진 나선은하의 외곽 영역에 자리하고 있다.

우리는 은하면 안에 있기 때문에 은하 전체를 위에서 내려다보는 시점을 확보할 수 없어 정확한 모습을 파악하기 어렵고, 그 크기를 정확하게 측정하기도 쉽지 않다. 다행히 유럽우주국(ESA)의 가이아(Gaia) 임무가 확보한 자료와 우리은하와 비슷한 다른 은하들의 관측 결과를 이용하면 은하수의 형태를 상당히 자세하게 파악하고 그 크기도 효과적으로 추정할 수 있다.

최근 한 천문학 연구팀은 은하수의 바깥쪽 나선팔이 기존에 생각했던 것보다 약 10% 더 멀리까지 뻗어 있을 가능성을 발견했다.

연구진은 이러한 결론을 얻기 위해 NASA의 찬드라X선 천문대(Chandra X-ray Observatory)와 유럽우주국의 XMM-뉴턴(XMM-Newton)관측 자료를 이용해 우리은하의 나선팔에 있는 먼지구름까지의 거리를 정밀하게 측정했다.

은하수의 구조

은하수에는 약 1,000억~4,000억 개의 별이 존재하는 것으로 추정한다. 은하수는 나선 형태를 띠며 크게 세 영역으로 나뉜다. 중심팽대부(central bulge), 나선팔을 포함하는 은하원반(galactic disk), 그리고 원반과 중심팽대부 전체를 둘러싸는 구형의 은하헤일로(galactic halo)다.

서로 다른 두 시점에서 바라본 은하수다. 위에서 내려다본 모습(왼쪽)에서는 중심팽대부와 나선은하의 특징적인 나선팔을 포함한 은하원반을 자세히 볼 수 있다. 우리 태양계는 은하 외곽에서 부 나선팔인 오리온 팔에 자리하고 있다. 은하를 옆에서 바라본 모습(오른쪽)에서는 은하원반의 전체 지름에 비해 원반의 두께가 매우 얇다는 사실을 확인할 수 있다. 출처: ESA, CC BY.

은하원반의 지름은 약 10만 광년이며, 두께는 약 1,000광년에 불과해 매우 얇다. 원반은 완전히 평평하지 않고 약간 휘어진 형태를 띤다. 우리 태양계는 은하원반의 바깥쪽 나선팔 가운데 하나에 자리하며, 초대질량 블랙홀 궁수자리 A*에서 약 2만 6,000광년 떨어져 있다.

네 개의 나선팔을 가진 은하

이러한 유형의 은하에서 가장 아름다운 특징은 아마도 원반을 따라 뻗어 있는 나선팔일 것이다.

나선팔은 가스와 항성 물질이 높은 밀도로 모여 있는 영역으로, 원반의 다른 영역보다 더 푸른빛을 띤다. 이는 나선팔을 이루는 별들이 질량이 매우 크고 매우 젊어서 막대한 핵연료를 빠른 속도로 소모하고 있음을 의미한다. 따라서 나선팔은 새로운 별이 끊임없이 탄생하는 활발한 별 형성 영역과 밀접하게 연관된다.

구체적으로 은하수에는 방패자리-센타우루스자리 팔과 페르세우스자리 팔이라는 두 개의 주 나선팔과 노르마 팔, 궁수자리 팔이라는 두 개의 뚜렷한 부 나선팔이 있다. 이와 함께 궁수자리 팔과 페르세우스자리 팔 사이에는 작은 가지 구조인 오리온 팔이 있으며, 우리 태양계는 이곳에 자리한다.

우리은하 은하수(Milky Way)의 네 개 주요 나선팔 이름을 표시한 상상도다. 출처: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt(SSC/Caltech), CC BY.

이번 연구 결과에 따라 은하 중심에서 가장 바깥쪽 나선팔까지의 거리는 기존 추정치와 상당한 차이를 보이게 됐다. 어떻게 이런 결과가 가능했을까?

세 차례의 강력한 외부은하 폭발이 남긴 X선 메아리

핵심은 은하수의 가장 바깥쪽 나선팔에 있는 먼지구름에서 산란된 X선을 분석하는 데 있었다. 이처럼 강력한 복사는 은하수 외부에서 날아오며, 무거운 별의 붕괴나 중성자별 병합처럼 극도로 격렬한 현상에서 발생하는 감마선 폭발(gamma-ray burst, GRB)에서 기원한다.

X선 메아리는 고리 모양의 구조를 형성하며, 찬드라 우주망원경이 관측한 고리의 지름을 이용하면 지구에서 먼지구름까지의 거리를 구할 수 있다. 따라서 더 큰 고리는 우리에게 더 가까이 있는 먼지구름에 해당한다.

감마선 폭발(GRB)에서 방출된 X선이 은하수 바깥쪽 나선팔의 먼지구름에서 산란하면서 형성한 X선 고리를 찬드라 X선 천문대가 관측한 모습이다. 출처: X선: NASA/CXC/INAF/B. Vaia 외; 광학: Pan-STARRS; 영상 처리: NASA/CXC/SAO/N. Wolk, P. Edmonds,CC BY.

구체적으로 연구진은 GRB 031203, GRB 160623A, 그리고 가장 최근의 GRB 221009A라는 세 개의 강력한 감마선 폭발을 분석했다. 각 감마선 폭발의 명칭은 관측한 연도와 월, 일을 차례로 나타낸다.

기존에 알던 것보다 더 큰 은하수

연구진은 이 세 차례의 감마선 폭발을 분석해 은하수의 세 나선팔까지의 거리를 계산했다. 은하 중심에서 거리가 증가하는 순서대로 페르세우스자리 팔, 바깥팔, 방패자리-센타우루스자리 바깥팔이다.

연구진은 감마선 폭발 가운데 하나가 발생한 방향에서 바깥팔과 방패자리-센타우루스자리 바깥팔이 모두 지금까지 생각했던 것보다 약 10% 더 멀리 있다는 사실을 발견했다.

우리은하 은하수의 가장 바깥쪽 나선팔까지의 거리가 어떻게 달라졌는지를 보여 주는 상상도다. 왼쪽은 지금까지 사용한 자료를 바탕으로 추정한 은하수의 크기이며, 오른쪽은 이번 연구 결과를 바탕으로 새롭게 추정한 은하수의 크기다. 출처: NASA/CXC/A. Hobart, CC BY.

이러한 거리 측정법은 기하학에 기반한다. 반면 대부분의 다른 방법은 은하수가 어떻게 회전하는지에 관한 가정에 의존하기 때문에 은하 외곽 영역에서는 불확실성이 매우 크다.

한계와 유망한 미래

그러나 이 독창적인 기법은 우리은하의 크기를 측정하는 정밀도를 크게 높였지만, 앞으로 거리 측정에 체계적으로 활용하기는 어렵다. 은하면을 통과해 관측할 수 있을 만큼 강력한 감마선 폭발이 매우 드물기 때문이다. 이러한 감마선 폭발이 없다면 X선 메아리도 연구할 수 없다.

그럼에도 앞으로 수년 동안 은하수에 관한 우리의 이해는 계속 깊어질 것이다.

가이아가 제공하는 더욱 상세한 관측 자료뿐 아니라 유럽우주국이 추진하는 차세대 X선 천문대 뉴아테나(NewAthena)도 중요한 역할을 할 것이다. 뉴아테나는 과학자들이 우리은하 외곽 영역에서 훨씬 더 희미한 X선 메아리까지 탐사할 수 있게 해 줄 것이다.

[출처] El tamaño de la Vía Láctea es mayor de lo que pensábamos

[번역] 하주영