은하의 우주 (형태 분류, 병합 진화, 거대 구조)

광활한 우주에 존재하는 수많은 별들의 집단을 은하라고 부릅니다. 그리스 신화에서 유래한 '갤럭시(galaxy)'는 헤라의 젖이 밤하늘에 흩어져 형성되었다는 전설에서 비롯되었으며, 은하는 항성, 밀집성, 성간 물질, 그리고 암흑 물질 등이 중력에 의해 거대한 무리를 이루는 천체입니다. 작은 은하는 약 1천만 개의 항성으로, 큰 은하는 100조 개 이상의 항성으로 이루어져 있습니다. 우주 질량의 85%를 차지하는 암흑 물질은 전자기장과 상호작용하지 않아 감지하기 어렵지만, 은하를 형성하는 중요한 요소입니다.

은하의 형태 분류와 관측의 역사

은하는 그 크기가 다양한 만큼 형태도 매우 다양하며, 크게 타원형, 나선형, 불규칙형으로 나눌 수 있습니다. 이러한 분류법을 허블 분류라고 하는데, 에드윈 허블이 1936년에 창안했으며 소리굽쇠 모양의 도표로 알려져 있습니다. 허블 분류는 은하의 겉모습에 기반하여 타원 은하, 나선 은하, 렌즈형 은하로 구분합니다. 타원 은하는 단조로운 밝기와 매끄러운 타원 모양을 특징으로 하며, 주로 늙은 별들로 이루어져 있어 새로운 별의 형성이 적습니다. 우주에서 가장 큰 은하들은 주로 타원 은하인데, 이는 많은 타원 은하들이 상호작용을 통해 충돌하고 병합하며 크기를 키우기 때문입니다. 처녀자리 A 은하(M87)는 지구에 가장 가까운 큰 타원 은하이자 처녀자리 은하단에서 가장 크고 밝은 은하로, 중심에는 태양 질량의 30억 배에 달하는 초대질량 블랙홀이 존재합니다. IC 1101은 인류가 발견한 은하 중 가장 큰 은하로, 직경 600만 광년의 엄청난 크기를 자랑하며 100조 개에 달하는 항성을 포함하고 있습니다.

나선 은하는 늙은 별들로 이루어진 팽대부를 중심으로 별들과 성간 물질이 원반 모양으로 감싸고 있는 형태를 띱니다. 은하 중심에서 원반으로 뻗은 나선 구조가 특징이며, 별의 생성이 계속되고 있습니다. 허블 분류에서 'S'로 표현되며, 나선팔의 꼬인 정도와 팽대부의 크기에 따라 SA, SB, SC 등으로 세분화됩니다. 우리 은하와 안드로메다 은하도 막대 나선 은하에 속하며, 관측된 모든 은하의 약 60%를 차지합니다. 우리 은하는 태양계가 속한 은하로, 질량은 약 3조 태양 질량, 지름은 약 10만 광년입니다. 밤하늘에 보이는 은하수는 지구에서 관측되는 우리 은하의 일부이며, 약 4천억 개 이상의 별과 태양의 약 1조 배 질량을 가지고 있습니다. 안드로메다 은하는 약 254만 광년 떨어져 있으며, 지름 약 22만 광년에 달하는 거대한 은하로 육안으로도 희미하게 관측될 만큼 밝은 편에 속합니다.

인류가 가장 먼저 발견한 은하는 안드로메다 은하로, 그 역사는 10세기 페르시아 천문학자 아드 알하우만 알수피의 관측으로 거슬러 올라갑니다. 1990년대 이후 대형 망원경과 허블 우주 망원경의 등장, 그리고 전파 망원경과 적외선 카메라의 발명은 먼 거리의 은하와 보이지 않는 파장의 빛을 관측하여 은하의 다양한 특성을 알아내는 데 크게 기여했습니다. 은하수가 단순한 흐릿한 덩어리가 아니라 수많은 별들의 집합체라는 사실은 1610년 갈릴레오 갈릴레이가 직접 만든 망원경으로 관찰하며 밝혀냈습니다. 프랑스 천문학자 제라르 드보클레르는 1959년에 허블 순차를 확장하여 드보클레르 체계를 도입했으며, 이 체계는 나선 은하에 대해 은하핵의 막대 존재 유무, 고리 구조의 존재 유무, 그리고 나선팔의 조임 정도 등 세 가지 형태적 특징에 근거하여 더 정교한 분류를 도입했습니다.

은하의 병합 진화와 특이 은하

은하의 병합은 둘 또는 그 이상의 은하들이 충돌할 때 발생하는 가장 격변적인 상호작용입니다. 은하의 병합은 별이나 항성계의 직접적인 충돌이 아니라, 은하 사이의 중력 상호작용과 기체 및 티끌 사이의 마찰이 주된 현상입니다. 우주의 큰 은하들은 생성 초기부터 거대한 것이 아니라, 오랜 시간 동안 상호작용을 통해 충돌하고 병합하며 크기를 키웠습니다. 천문학자들은 은하의 병합이 타원 은하를 진화시키는 주요 동력이라고 예상합니다. 은하 병합 시 가장 흔하게 볼 수 있는 현상은 별의 형성으로, 대규모 병합 시 연간 수천 태양 질량에 이르는 엄청난 양의 별들이 탄생합니다. 이는 거대 분자운이 충돌하여 압축되고 새로운 별을 형성하기 때문입니다.

특이 은하는 특이한 크기와 모양, 조성 또는 물리적 성질을 가진 은하를 지칭합니다. 알려진 은하 중 5~10%가 특이 은하로 분류되며, 대부분 은하 간의 상호작용, 특히 병합이나 충돌의 결과로 형성됩니다. 안테나 은하는 1785년 윌리엄 허셜이 발견한 두 개의 충돌하는 은하(NGC 4038, NGC 4039)로, 긴 조석 꼬리가 곤충의 더듬이를 연상시켜 명칭이 붙었습니다. 약 1억 년 전의 충돌로 시작된 병합 과정은 수백만 개의 별을 새롭게 생성시켰습니다. 조석 꼬리는 별과 가스로 구성된 길고 빛나는 구조로, 은하 내부의 가스와 먼지가 중력에 의해 밖으로 밀려나 형성됩니다. 솔브레로 은하는 멕시코 모자처럼 생긴 독특한 외형으로 유명하며, 밝은 별들과 뚜렷한 먼지띠로 인해 독특한 외관을 가집니다. 중심에는 태양 질량의 약 10억 배에 해당하는 초대질량 블랙홀이 존재합니다.

은하의 형성 이론을 밝히기 위해 은하의 특징을 연구하는데, 첫째, 은하 질량의 대부분이 직접 관측되지 않는 미지의 암흑 물질로 구성되어 있다는 점, 둘째, 대부분의 거대 은하가 중심에 수백만에서 수십억 태양 질량에 이르는 초대질량 블랙홀을 포함하고 있다는 점이 주요 특징입니다. 안드로메다 은하는 대략 100억 년 전에 수많은 작은 원시 은하들이 병합하여 형성되었으며, 특히 80억 년 전의 격변적인 충돌로 은하의 헤일로 부분이 대거 형성되고 별 탄생이 활발해졌습니다. 우리 은하와 안드로메다 은하는 국부 은하군에서 가장 무겁고 서로의 운명에 큰 영향을 미치며, 안드로메다 은하는 초속 약 110km로 우리 은하 쪽으로 다가오고 있습니다. 약 40억 년 후 충돌하여 하나의 거대한 타원 은하로 합쳐질 것으로 예상되며, 합쳐진 은하는 '밀코메다'로 이름 지어질 것입니다.

우주의 거대 구조와 은하단

수많은 별들이 모여 은하를 이루고, 이런 은하가 수십 개 모인 것을 은하군, 수백, 수천 개가 모이면 은하단이 됩니다. 은하군과 은하단이 모이면 초은하단이 만들어지며, 이 거대 집단들이 모여 중심을 이루는 은하 필라멘트라는 초거대 우주 구조를 이룹니다. 은하군은 직경 1~2메가파섹 범위 이내에 보통 50개보다 적은 수의 은하를 포함하는 작은 은하 무리입니다. 은하단은 수백에서 수천 개의 은하로 구성되며, 다량의 암흑 물질과 X선을 방출하는 뜨거운 가스(ICM)를 포함하는 거대한 은하 무리입니다. 총 질량은 대략 100조에서 1천조 태양 질량에 달하며, 직경은 2메가파섹에서 10메가파섹 정도입니다.

초은하단은 은하군과 은하단이 무리 지어 있는 구조로, 수십 개의 개별적인 은하단을 약 1억 5천만 광년 이내의 영역에서 포함합니다. 우리 은하는 국부 은하군에 속하며, 국부 은하군은 라니아케아 초은하단에 포함됩니다. 라니아케아 초은하단은 폭 5억 광년 이상, 10만 개의 은하를 포함하는 거대한 크기를 자랑하며, 질량은 우리 은하의 수십만 배에 달합니다. 물고기자리-고래자리 복합 초은하단은 최대 길이 약 10억 광년, 폭 1억 5천만 광년으로 추정되는 관측 가능한 우주에서 가장 거대한 구조 중 하나입니다. 약 60개의 은하단을 포함하고 총 질량은 10의 18승 태양 질량으로 추정됩니다.

은하 필라멘트는 초은하단이 모여 있는 군집으로, 우주에서 밝혀진 가장 거대한 구조입니다. 복합 초은하단, 장성, 거대 인력체라고도 불리며, 평균 길이가 약 1억 6천만 광년에서 2억 6천만 광년 정도로 상상을 초월하는 크기입니다. 거시 공동은 은하 필라멘트 사이에 은하가 전혀 없거나 거의 없는 우주에서 가장 거대한 빈 공간으로, 직경이 보통 11에서 150메가파섹에 이릅니다. 처녀자리 은하단은 처녀자리 방향으로 약 5,400만 광년 떨어져 있으며, 최소 1,300개에서 최대 2,000개까지의 은하로 구성된 처녀자리 초은하단의 중심부입니다. 메시에 87을 포함한 많은 밝은 은하들이 발견되었으며, 은하단에서 가장 크고 밝은 은하는 타원 은하 M87(처녀자리 A 은하)로 강력한 전파를 발산합니다.

방대한 우주 속 은하의 기원부터 거대한 초은하단 구조까지 일목요연하게 정리된 내용을 보며 인류의 관측 기술이 도달한 깊이에 경탄하게 됩니다. 특히 평범한 나선 은하인 우리 은하가 40억 년 후 안드로메다와 충돌해 '밀코메다'라는 거대 타원 은하로 재탄생한다는 대목은 우주의 역동성을 실감케 합니다. 암흑 물질이라는 보이지 않는 존재가 은하의 뼈대를 이루며, 우주 질량의 85%를 차지한다는 점은 여전히 신비로운 영역으로 남아 있습니다. 은하들의 충돌과 병합을 통한 진화 과정은 우주가 끊임없이 변화하고 성장하는 살아있는 존재임을 증명합니다.

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[출처]

영상 제목/채널명: https://livewiki.com/ko/content/eunha-compilation-video