은하는 항성과 성간 물질 등이 중력에 의해 뭉쳐져 있는 거대한 천체를 말한다. 이런 은하들 중에서 지구가 속해있는 태양계는 우리 은하의 가장자리에 위치해 있는데, 이렇게 가장자리에 위치한 덕분에 지구에서 우리 은하를 관측할 수 있다.

천문학자들이 관측해 본 결과, 우리 은하는 띠 모양으로 이루어져 있는 것으로 나타났다. 우리는 이런 띠 모양의 은하를 가리켜 은하수(Milky Way)라고 부른다.

궁금한 점은 변변찮은 망원경조차 없던 수백 년 전에 어떻게 서양의 천문학자들은 은하의 존재와 형태를 알 수 있었느냐는 점이다. 누구나 한번쯤은 떠올렸을 법한 이같은 궁금증을 풀어주는 행사인 ‘스페이스 오페라(Space Opera)’ 일곱 번째 강연이 지난 14일 온라인 상에서 열려 시청자들의 주목을 끌었다.

과학 대중화를 목표로 설립된 카오스재단이 주최한 이번 행사는 태양계를 시작으로 행성과 은하 등 우주와 관련된 모든 것을 전문가들의 다양한 시각에서 바라보자는 취지로 마련됐다.

과거에는 성운으로 불렸던 은하

‘은하 해부학’이라는 주제로 7차 강연을 맡은 정애리 연세대학교 천문우주학부 교수는 우리 은하에 대해 “태양을 포함하여 수천 억 개의 별로 이루어져 있는 거대한 중력계”라고 소개했다.

정 교수의 설명에 따르면 우주에는 수천억 개의 은하가 존재하고 있지만, 이런 은하를 처음부터 은하로 인식한 것은 아니었던 것으로 밝혀졌다. 지금으로부터 100여년 전만해도 천문학계는 우리 은하가 우주의 전부라고 생각했기 때문이다.

그런 이유로 망원경을 통해 관측한 다른 은하는 모두 우주의 구름 덩어리같이 보인다고 해서 성운(星雲)이라고 불렀다. 별이 아니라 우주를 떠돌아 다니는 가스와 먼지의 덩어리라고 생각한 것이다.

하지만 망원경의 성능이 향상되고 관측기술이 발달하면서 이런 덩어리들이 성운이 아닌 별의 무리, 즉 또 다른 은하라는 사실을 발견했다. 실제로 오늘날의 안드로메다 은하를 과거에는 안드로메다 성운이라고 불렀던 것이 이같은 사실을 뒷받침해주고 있다.

정 교수는 “과거 성운이라고 불렀던 덩어리가 사실은 수많은 별로 이루어진 은하라는 것을 과학적으로 밝혀낸 과학자는 바로 허블 망원경으로 유명한 ‘에드윈 허블(Edwin Hubble)’이다”라고 소개하면서 “표준광원을 이용하여 안드로메다까지의 거리를 측정함으로써 우주에는 수많은 은하들이 존재한다는 사실을 밝혀냈다”라고 말했다.

그러면서 “동시대 인물 중 ‘할로우 섀플리(Harlow Shapley)’나 ‘허버 커티스(Heber Curtis)’ 같은 과학자들은 은하의 존재와 형태 등을 놓고 많은 논쟁을 벌였지만, 허블이 밝혀낸 증거들을 기반으로 이들 모두가 은하를 실체를 규명하는데 많은 기여를 했다”라고 덧붙였다.

은하의 비밀은 위치와 거리 그리고 질량 등에 포함

은하들은 다양한 형태로 이루어져 있지만, 대표적으로는 ‘나선은하’를 꼽을 수 있다. 이어서 ‘타원은하’와 ‘불규칙은하’ 등으로 구분되는데 이같은 분류는 허블이 은하의 외형을 바탕으로 분류한 것이다.

하지만 이같은 분류는 20세기 초반에 도입된 분류법이고, 이후 관측 기술이 향상되면서 렌즈은하와 마젤란형 나선은하 등 다양한 은하의 형태가 발견되면서 그 범위도 확장되었다.

정 교수는 은하의 본질을 규명하기 위한 수단으로 위치와 거리, 그리고 질량과의 상관 관계를 소개했다. 은하의 위치는 우주에 투영된 위치를 나타내는 좌표계로서 대표적으로는 적도좌표계가 꼽힌다.

적도좌표계는 춘분과 천구(celestial sphere)의 적도 및 북극을 기준으로 천체의 위치를 적경과 적위로 표시한 것이다. 천구란 둥글게 보이는 밤하늘을 가상의 구(球)로 가정한 것으로서 관측자가 구의 중심에 위치했다고 가정하는 것이 특징이다.

정 교수는 “은하의 거리도 은하의 본질을 파악하기 위해서는 매우 중요한 정보”라고 강조하며 “은하까지의 거리를 측정하는 방법에는 여러 가지가 있지만 그 중에서도 표준광원(standard candle)은 일종의 ‘우주의 자’ 같은 역할”이라고 밝혔다.

은하의 질량도 마찬가지다. 해당 은하의 정체를 밝히기 위해서는 은하를 구성하는 별과 가스의 질량을 파악하는 것이 무엇보다 필요하다는 것이 정 교수의 설명이다.

정 교수는 은하의 질량이 갖고 있는 특징에 대해 “질량이 작은 별들이 은하의 질량을 차지하는 비율이 압도적인 반면에 가스의 경우는 온도가 비교적 낮은 수소가스가 차지하는 비율이 훨씬 크다”라고 설명했다.

은하에 대한 연구를 천문학자들이 심도있게 추진하다보니 인류가 찾아낸 은하 중에서 가장 나이가 많은 은하는 어떤 것인지에 대한 궁금증도 해결할 수 있게 되었다는 것이 정 교수의 생각이다.

인류가 발견한 가장 오래된 은하는 지금으로부터 6년 전 국제공동연구진이 큰곰자리 방향에서 발견한 134억 년이나 되는 은하인 ‘GN-z11’인 것으로 드러났다.

발표를 마무리하며 정 교수는 은하의 충돌 현상에 대해서도 언급했다. 은하끼리 충돌하게 되면 은하 안에서 부유하던 가스 같은 성간매질도 충돌하면서 격렬한 반응을 일으키는데, 반응의 결과는 종종 별의 탄생으로 이어진다는 것이다. 이렇게 급격하게 별이 탄생하는 은하는 기존의 별이 탄생하는 과정과 다르기 때문에 이를 ‘폭발적 항성 생성 은하(Starburst Galaxy)’라고 부른다는 것이다.