은하원반을 수직 방향에서 위쪽에서 내려다본 시점으로 표현한 우리은하 은하수(Milky Way)의 상상도. 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 것처럼 우주의 중심과는 거리가 멀다. 우리는 은하수라고 부르는 네 개의 특징적인 나선팔을 가진 나선은하의 바깥쪽 영역에 자리하고 있다.

우리는 은하면 안에 위치해 있기 때문에 은하 전체를 위에서 내려다보는 시점을 확보할 수 없으며, 그 모습과 크기를 정확하게 파악하기도 쉽지 않다. 다행히 유럽우주국(ESA)의 가이아(Gaia) 임무가 확보한 자료와 우리은하와 비슷한 다른 은하들의 관측 결과를 이용하면 은하수의 형태를 상당히 자세하게 규명하고 그 크기도 효과적으로 추정할 수 있다.

이러한 맥락에서 최근 한 천문학 연구팀은 은하수의 바깥쪽 나선팔이 기존에 생각했던 것보다 약 10% 더 멀리까지 뻗어 있을 수 있다는 사실을 발견했다.

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

은하수의 구조

은하수에는 약 1,000억~4,000억 개의 별이 존재하는 것으로 추정한다. 은하수는 나선은하 형태를 띠며, 크게 세 영역으로 구분한다. 중심팽대부(bulge), 나선팔을 포함한 은하원반(galactic disk), 그리고 원반과 중심팽대부를 완전히 둘러싸는 구형의 헤일로(halo)다.

서로 다른 두 시점에서 본 은하수. 위에서 내려다본 모습(왼쪽)에서는 중심팽대부와 나선은하의 특징적인 나선팔을 포함한 은하원반을 자세히 볼 수 있다. 또한 태양계가 우리은하 외곽의 오리온 팔에 위치한 작은 가지 구조에 자리하고 있음을 확인할 수 있다. 옆에서 본 모습(오른쪽)에서는 은하원반의 전체 지름과 비교해 원반의 두께가 매우 얇다는 사실을 보여 준다. 출처: ESA, CC BY.

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

네 개의 나선팔을 가진 은하

이러한 형태의 은하에서 가장 아름다운 특징 가운데 하나는 은하원반을 따라 뻗어 있는 나선팔이다.

나선팔은 가스와 항성 물질이 높은 밀도로 모여 있는 영역이며, 원반의 다른 부분보다 푸른빛을 더 강하게 띤다. 이는 나선팔을 이루는 별들이 매우 무겁고 매우 젊다는 사실을 의미한다. 이 별들은 막대한 핵연료를 빠른 속도로 소모하고 있기 때문이다. 따라서 나선팔은 새로운 별이 끊임없이 탄생하는 활발한 항성 형성 영역과 밀접하게 관련된다.

은하수는 크게 두 개의 주 나선팔인 방패자리-센타우루스자리 팔과 페르세우스자리 팔, 그리고 두 개의 뚜렷한 부 나선팔인 노르마 팔과 궁수자리 팔로 이루어진다. 또한 궁수자리 팔과 페르세우스자리 팔 사이에는 오리온 팔이라 부르는 작은 가지 구조가 있으며, 우리 태양계는 이곳에 있다.

은하수의 네 개 주요 나선팔 이름을 표시한 상상도. 출처: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt(SSC/Caltech), CC BY.

이번 연구 결과는 은하 중심과 가장 바깥쪽 나선팔 사이의 거리가 기존 추정치보다 크게 달라졌음을 보여 준다. 어떻게 이런 결과가 가능했을까?

세 차례의 강력한 외부은하 폭발이 남긴 메아리

핵심은 가장 바깥쪽 나선팔에 있는 먼지구름에서 반사된 X선의 메아리를 분석한 데 있었다. 이러한 강력한 X선은 은하수 밖에서 날아오며, 무거운 별의 붕괴나 중성자별 병합처럼 극도로 격렬한 현상에서 발생하는 감마선 폭발(gamma-ray burst, GRB)에서 기원한다.

X선 메아리는 고리 모양 구조를 이루며, 찬드라 우주망원경이 관측한 고리의 지름을 이용하면 그 먼지구름까지의 거리를 계산할 수 있다. 따라서 고리의 지름이 클수록 먼지구름은 우리에게 더 가까이 있다.

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

연구진은 GRB 031203, GRB 160623A, 그리고 가장 최근에 관측한 GRB 221009A 등 세 개의 감마선 폭발을 분석했다. 각 GRB의 이름은 관측한 연도, 월, 일을 차례대로 나타낸다.

기존보다 더 큰 은하수

연구진은 이 세 차례의 감마선 폭발을 분석해 은하수의 세 나선팔, 즉 은하 중심에서 가까운 순서대로 페르세우스자리 팔, 바깥팔(Outer Arm), 방패자리-센타우루스자리 바깥팔까지의 거리를 계산했다.

이들 감마선 폭발 가운데 하나가 발생한 방향에서는 바깥팔과 방패자리-센타우루스자리 바깥팔이 모두 지금까지 생각했던 거리보다 약 10% 더 멀리 있다는 사실을 발견했다.

기존 추정치와 이번 연구 결과를 바탕으로 은하수(Milky Way) 바깥쪽 나선팔까지의 거리가 어떻게 달라졌는지를 비교한 상상도. 왼쪽은 지금까지 사용한 자료를 바탕으로 한 은하수의 크기이며, 오른쪽은 이번 연구에서 제시한 새로운 크기를 보여 준다. 출처: NASA/CXC/A. Hobart, CC BY.

이러한 거리 측정 방법은 기하학적 원리에 기반한다. 반면 대부분의 다른 방법은 은하수가 어떻게 회전하는지에 대한 가정에 의존하며, 특히 은하 바깥 영역에서는 불확실성이 매우 크다.

한계와 밝은 전망

그러나 이 독창적인 기법은 우리은하의 크기를 훨씬 더 정밀하게 측정했지만, 앞으로 거리 측정에 지속적으로 활용하기는 어렵다. 은하면을 통과해 관측할 수 있는 강력한 감마선 폭발은 매우 드물기 때문이다. 이러한 감마선 폭발이 없으면 X선 메아리를 연구할 수 없다.

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

이를 위해서는 가이아 관측소가 앞으로 제공할 더욱 정밀한 자료뿐 아니라, 유럽우주국이 차세대 X선 천문대로 개발하는 뉴아테나(NewAthena)의 역할도 매우 중요하다. 뉴아테나는 우리은하 외곽 영역에서 훨씬 더 희미한 X선 메아리까지 탐사할 수 있게 해 주며, 과학자들이 은하수를 더욱 자세히 연구하도록 도울 것이다.

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

[번역] 하주영 

덧붙이는 말

오스카르 델 바르코 노비요(Óscar del Barco Novillo)는 무르시아대학교(Universidad de Murcia) 물리학과(천문학·천체물리학 분야) 조교수(Profesor Ayudante Doctor)다. 참세상은 이 글을 공동 게재한다.