전문의의 세계 - 이명현의 별별 천문학](하나8) 안드로메다, 우리은하와 체급 비슷…40억년 뒤 ‘흡수’서 ‘충돌’로 수정 이야…

안드로메다 은하의 질량 어두운 곳에서 맨눈 관측...지금까지 질량, 크기 2~3배 정도 추정, 호주의 천문학자 최근 기법 측정 담"우리 은하와 거의 유사"발표 서로 다가서고 있는 ' 비슷한 '두 은하, 국부 은하군의 '투톱'에

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은하계에 가장 가까운 안드로메다 은하는 오랫동안 은하계와 비슷한 형태로 알려져 왔으나 최근 관측 결과 질량과 크기가 은하계와 함께 있는 것으로 나타났다. 사진은 한정의 과학 기술 위성 3호가 20일 3년 2월 적외선 카메라로 찍은 안드로메다 은하의 모습.[경향신문 자료사진]우리는 태양을 중심으로 여덟 개의 행성이 돌고 있는 태양계에 살고 있다. 태양계는 이와 대등한 항성-행성 시스템이 수천억 개가 모인 집단의 은하계에 속해 있다. 은하계는 수천억 개의 별과 가스와 먼지, 그리고 암흑 물질로 이루어진 막대 자신선은 한다. 지구에 살고 있는 우리는 지구 전체의 모습을 볼 수 없다. 우주선을 타고 지구에서 멀리 떨어진 우주공간에서 자신에게 가면 지구의 둥근 모습을 볼 수 있지만 그런 기회를 얻은 사람은 드물다. 태양계 전체를 본 사람도 없다. 은하계의 모습을 본 자는 당연히 존재하지 않는다. 은하계와 가까운 안드로메다 은하계는 오랫동안 은하계와 비슷한 것으로 알려져 있다. 은하계 주변에는 작은 은하계가 몇 개 있지만 큰 자신감은 아래에서는 안드로메다 은하계가 은하계에 가장 가깝다. 어두운 곳에서는 맨눈으로도 안드로메다 은하를 볼 수 있다. 잘 알려진 은하이기 때문에 이름도 다양하다. 프랑스 천문학자 메시에가 작성한 리스트에도 이름을 올렸다. 안드로메다를 M3일이라고 부르는 이유이다. 더 큰 천체 목록의 이름인 NGC224로도 자주 불린다. 안드로메다 은하를 보면서 은하의 모습을 상상하기도 하겠죠. 그러나 안드로메다 은하의 질량과 크기가 어떻게든 우리 은하의 2~3배 정도 되는 것으로 알고 있고 정확한 우리 은하의 모습을 안드로메다 은하에서 찾는 것은 무리처럼 보였다.호주 천문학자인 프라웰 케이플 연구팀이 최근 관측 자료를 분석한 결과 안드로메다 은하의 질량과 크기가 은하계와 거의 대등한 것으로 나타났다. 재미있는 소식이었다 안드로메다 은하와 은하는 모두 국부 은하군이라고 부르는 은하의 집단에 속해 있다. 두 은하가 가장 큰 은하로, 국부 은하군의 중심이었다. 두 은하와 함께 수십 개의 작은 은하가 중력적으로 묶여 함께 움직이는 집단이 국부은하군이었던 것처럼 안드로메다 은하와 은하는 다가오고 있다. 약 40억년 후쯤에는 두 은하가 충돌할 것이라는 것이 천문학자들의 예측이었다 질량과 크기가 더 큰 안드로메다 은하에 은하가 흡수·병합되는 시자리오도 자신 있었다. 만약 안드로메다 은하가 은하계와 그 질량이 자신의 크기가 거의 대등한 끼리끼리 은하라면 두 은하계의 병합 과정이 어느 한쪽의 일방적인 흡수가 아니라 흥미로운 충돌 현상으로 떠오를 것이다. 먼 미래의 일이라 우리가 관측할 수는 없지만 두 은하의 충돌에 관한 시뮬레이션의 시사오는 달라져야 할 것 같다. 은하의 질량이 자신의 크기와 같은 규모를 정하는 작업은 쉽지 않다. 어떻게든 중력현상을 통해 질량을 구할 것입니다. 자기선은 하는 별과 가스 및 먼지로 이루어지는 성간 물질, 그리고 암흑 물질로 구성되어 있다. 쟈싱 송 은하 내 별의 질량은 성간물질의 것 0배 정도이다. 암흑 물질의 질량은 별의 질량의 것 0배 정도 된다. 중력의 크기는 질량에 따라 결정된다. 그래서 은하의 질량은 암흑 물질의 질량에 크게 의존하는 것입니다. 그러나 암흑 물질의 정체에 대해서는 아직 모르는 것이 많다. 다행히도 우리는 은하의 최대 회전속도가 무게의 크기에 비례해야 했다 은하 구성원의 질량에 따라 결정되는 중력의 강도를 측정하는 잣대로 은하의 최대 회전속도를 사용할 수 있다. 은하 중력장이 얼마나 빠른 속도를 견딜 수 있을까? 너희들의 빠른 회전을 위한 구성원은 이미 그 은하의 중력장을 친구들과 함께 탈출했을 것이다 그래서 최대 회전속도는 은하의 중력장, 즉 질량을 측정하는 지수가 된다. 많은 질량을 차지하는 암흑물질이 은하 외곽에 주로 분포하기 때문에 은하 외곽에서 회전속도를 측정해야 하는 어려움이 있다. 벌써 1개의 요령은 은하계 성간 물질의 속도 분산치를 측정하는 것이었다 또 너희 빨리 움직인 구성원은 은하의 중력을 견디지 못했을 테니 탈출했을 것이다. 은하 안에 존재할 것이라는 것은 은하의 중력장에 속박돼 있다는 뜻이었다. 속도 분산치는 은하의 중력을 나타내는 좋은 지수가 된다. 이를 통해 질량을 추정할 수 있다. 그러나 속도 분산치는 은하 안쪽 지상에서 주로 측정할 수 있다. 암흑 물질의 영향력은 은하의 안쪽보다 바깥쪽이 크기 때문에 속도 분산치에 의한 질량 측정이 전체 은하의 질량을 대표하는가 하는 문재가 있을 수 있다. 자기 선하의 원반을 둘러싼 헤일로(halo) 지상에도 천체가 존재합니다. 이 지상에 속하는 별이 자기 다른 천체의 움직이는 속도를 측정하면 거기에서 은하의 탈출 속도를 추정할 수 있다. 탈출 속도는 어떤 천체에서 중력적으로 친구가 될 수 있는 속도입니다. 중력의 크기를 재는 지표로 질량의 크기를 알려준다. 이 밖에 중력렌즈 효과를 이용하는 등 다양한 비법으로 질량을 구할 수 있다.이렇게 속도치를 구한 뒤 중력 퍼텐셜 모형을 세워 질량을 추정하는 과정에서 몇 가지 불확실성이 존재합니다. 가장 이미 속도치 측정의 정확도가 질량 결정에 오차를 가할 것입니다. 속도치를 확실히 측정해도 측정치를 해석하는 사건이 남는다. 은하의 기울기나 자기 안의 성간 물질에 의한 흡수로 측정치가 왜곡될 수 있기 때문이었다 측정치를 중력 퍼텐셜 이론 모델을 사용해 질량으로 바꾸는 과정에서도 당연히 모형의 선택에 의한 편중이 생길 수밖에 없다. 이런 저런 요소들이 겹쳐 있기 때문에 은하의 질량을 측정하는 작업이 어려울 것이다. ​, 호주의 국제 전파 천문학 연구소 소속 천문학자인 프라 웰 케이 플 연구 팀은 영국의 천문학 저널인 왕립 천문 학회 월보(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)20일 8년 4월호에 흥미로운 논문을 일방 발표했다. "The need for speed": escape velocity and dynamical mass measurements of the Andromeda'galaxy'라는 제목의 논문이 바로 그것이었다 탈출 속도를 측정하여 안드로메다 은하의 질량을 구했다는 논문이었다. 케이플이 이끄는 연구팀은 라팔마 천문대의 윌리엄 허셀 망원경으로 관측한 행성상 성운 데이터를 사용했다. 이 자료에는 안드로메다 은하에 속한 2637개의 행성상 성운의 데이터도 포함되고 있다. 현존하는 가장 방대하고 정밀한 안드로메다 은하 내 행성상 성운의 관측 자료다. 지금까지 다양한 비법으로 측정한 안드로메다 은하의 질량은 태양 질량의 7000억배에서 2조 5000억배 사이에 놓이고 있다. 우리 은하에 비해서는 2~3배 정도 질량이 큰 것으로 알려졌다.케이플팀은 현재 구할 수 있는 가장 적합한 안드로메다 내 헤일로 지상에 존재하는 행성상 성운의 속도를 연구했다. 행성상 성운은 태양과 같은 별이 평생을 살고 죽어가는 과정에서 자신에게 맞는 성간물질 형태의 천체다. 행성상 성운의 속도 데이터를 바탕으로 탈출 속도를 구했다. 지구 표면으로부터 우주 공간으로 탈출하는 데는 초속 하루킬로미터의 속도로 움직이지 않으면 안 되겠죠. 이 속도를 지구 표면으로부터의 탈출 속도라고 부른다. 지구의 표면 중력과 밀접한 값이었다 행성상 성운의 속도에서 안드로메다 은하의 탈출 속도를 구한 연구팀은 이를 토대로 중력 퍼텐셜 모델을 이용해 안드로메다 은하의 질량을 추정했다. 최근 관측 결과를 토대로 합리적인 질량 모형을 만드는 것도 은하 질량 측정의 열쇠를 쥐고 있다. 케이플 연구팀은 오랫동안 은하계와 안드로메다 은하계의 질량을 측정하기 위해 연구를 계속해 왔다. ​ 그들이 측정한 안드로메다 은하의 질량은 태양 질량의 8000억배 정도였다. 안드로메다 은하의 크기는 240kpc정도인 것으로 측정된(크기 측정 비법과 크기의 정의는 또 다른 사건이기 때문에 여기서는 설명을 하지 않고 인용만 할 생각입니다). 지금까지 발표된 안드로메다 은하의 질량과 크기 분포와 비교하면 질량이 작은 쪽에 가까운 측정치였다. 케이뿌루 연구 팀의 안드로메다 은하 측정 값이 맞으면 이 은하의 질량과 크기가 처음으로 받아들여졌던 것처럼 우리 은하에 비해서 2~3배 가량 무거운 것이 아니라 우리 은하와 거의 비슷하다는 결론에 도달하는 것이었다 케이뿌루는 20일 4년 0월 천체 물리학 저널(Astrophysical Journal)에 발표한 논문으로 우리 은하의 질량을 태양 질량의 8000억배로 측정한 바 있다. 이번에 측정한 안드로메다 은하의 질량과 거의 같은 값이었다. 케이플 연구팀의 결과를 따른다면 은하는 안드로메다 은하와 질량과 크기가 거의 대등한 똑같이 생긴 은하인 것 같다. 물론 은하계는 자신의 안드로메다 은하계의 질량을 측정하는 것은 여전히 어려운 도전이며 그 불확실성이 존재할 것입니다. 케이뿌루 연구 팀은 안드로메다 은하의 측정 결과를 발표한 천문학 저널 20일 8년 4월호에 은하의 질량을 요구하는 개선된 비법에 대한 논문도 발표했다. 더 자신은 관측 자료와 모델링의 비법으로 은하의 질량을 측정하고 있으므로 더 많은 연구 결과가 쌓이면 오랜 은하와 안드로메다 은하의 질량 비교 사건도 명확하게 해결될 것으로 기대합니다. 안드로메다 은하와 은하의 질량이 거의 같다고 전제하면 흥미로운 연구를 할 수 있다. 두 은하가 다가오는 것은 주지의 사실이었다 40억년쯤 후에는 두 은하가 충돌할 것으로 예측되고 있다. 기존의 관측 결과를 바탕으로 2개의 은하가 충돌하는 순간을 시뮬레이션한 영상 자료를 쉽게 볼 수 있다. 아무래도 안드로메다 은하가 우리 은하보다 2~3배 정도 높다는 식크울하고 컴퓨터로 시뮬레이션한 결과인 것이었다 안드로메다 은하가 은하계와 대등한 질량을 갖는다고 설정하고 다시 시뮬레이션을 하면 다른 귀결점이 있는지 궁금하다. 두 은하 모두 지금까지 알려진 것보다 질량, 즉 암흑물질의 질량이 적다는 결론을 반영하면 어떤 상황이 벌어질까. 국부은하군 내부의 중력 분포에 다른 역학도 어떻게 변할지 궁금하다. 지금까지 국부은하군은 큰 은하인 안드로메다 은하와 그보다 조금 작은 은하가 그렇게 함으로써 스스로의 수십 개의 작은 은하로 구성된 은하의 집합체로 알려져 왔으나 두 개의 큰 은하가 주도하는 은하군으로 다시 자리매김해야 할 것이다. 두 은하가 꼭 닮은 은할지는 좀 더 명확한 결과가 쌓이지 않으면 확정할 수 없지만 안드로메다 은하를 바라보며 거울 중국의 은하를 보는 재미가 앞으로 즐기고 싶다. ​​​

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필자인 이명현 과학저작가, 천문학자, 경향신문, 초등학생 때부터 천문잡지 애독자로 고등학교 시절 유리구슬을 닦아 망원경을 만들었다. 연세대 천문기상학과를 자신과 네덜란드 플로닝겐대에서 박사학위를 받았다. 네덜란드 ヘ테인 천문학연구소 연구원, 한국천문연구원 연구원, 연세대 천문대책입니다.연구원 등을 지냈다. 우주의 지성체를 탐색하는 세티(SETI)연구소의 한국 책입니다.아이이기도 하다. 이명현의 별을 셀 밤 스페이스 빅 히스토리 등 다수의 저서와 역서가 있다. ​