외부은하 [ Extragalactic Astronomy ]

외부은하(外部銀河, external galaxies)는 우리 태양계가 거주하고 있는 우리은하(─銀河, milky way) 외의 모든 은하를 통칭한다. 개별 은하는 항성(恒星, fixed star), 성간물질 및 암흑물질로 구성된 거대한 중력계로 우주에는 수천억 개의 외부은하가 존재한다. 수억(108) 개 이하의 별로 이루어진 왜소은하부터 많게는 수십 조(1013) 개의 별로 이루어진 거대타원은하(giant elliptical galaxies)까지 다양한 크기의 은하가 있다. 형태학적으로는 나선은하, 타원은하, 불규칙은하 등이 있으며, 상호작용하는 은하(interacting galaxies), 폭발적으로 별을 형성하는 은하(starburst galaxies), 활동성은하핵(active galactic nuclei)을 가진 은하 등의 특이은하도 존재한다. 외부은하학(外部銀河学, extragalactic astronomy)은 은하의 형태와 구성 및 역학적 특성과 은하들의 분포 및 은하군, 은하단 등의 주변 환경을 통해 은하의 형성 과정과 진화를 연구하는 학문이다.

 

 

외부은하는 크게는 타원형태의 은하와 나선팔과 원반이 특징인 나선은하로 분류하였다. 타원은하는 타원이 찌그러진 형태에 따라 세분화하였고, 나선은하(spiral galaxies, spirals)는 나선팔이 감긴 세기와 중심에 위치한 중앙 팽대부와 원반(disk)의 상대적인 크기에 따라 세분화하였다. 또한 중심에 막대의 형태가 보이는지의 여부로 정상나선은하와 막대나선은하로 나누었다. 형태학적으로 타원은하와 나선은하의 중간에 해당하는, 원반은 있으나 나선팔이 없는 은하는 렌즈형 은하로, 그리고 이 세 가지에 해당하지 않는 은하들은 불규칙은하로 분류하였다. 이러한 허블의 은하형태분류법은 ‘tuning fork diagram’이라 불리며 오늘날까지도 은하의 형태를 분류하는 기준이 되고 있다.

 

 

 

 

은하 형성 연구는 암흑물질과 성간물질의 비율 등의 초기조건으로부터 은하가 형성하는 과정을 연구하는 분야이다. 현재 가장 널리 받아들여지고 있는 은하의 형성 과정은 대폭발 우주론(big bang theory)에 근거한다. 이 우주론에 따르면 대폭발 이후 수십만 년 이후 우주는 수소와 헬륨의 차가운 가스로 가득 찬 상태가 된다. 이 시기에는 아직 별이 만들어지지 않아 ‘암흑시기(dark age)’라 한다.

 

외부은하에 대한 연구는 지난 수십 년 동안 관측 장비와 컴퓨터의 발전을 통해 급성장하였다. 관측에 있어 가장 큰 혁신으로는 다양한 파장의 장비 개발과 우주 망원경을 들 수 있다. 인류의 눈으로 볼 수 있는 가시광선 외에도 전파(radio), 적외선(infrared), 자외선(ultra-violet), 엑스선(x-ray)과 감마선 등의 관측이 가능해짐에 따라, 은하내의 항성 분포 이외에도 다양한 상태의 성간물질이나 자기장의 특성을 연구할 수 있게 되었다.

또한 먼지에 의한 소광현상으로 예전엔 알려지지 않았던 은하의 특성이 밝혀지거나, 가시광선에서보다 다른 파장에서 훨씬 더 많은 에너지를 내는 새로운 은하 종족이 발견되기도 하였다. 또한 우주 망원경은 지구대기의 영향을 받지 않고 좀 더 선명한 은하의 영상을 전해주었으며, 예전보다 더 먼 거리에 있는 은하의 관측도 가능하게 하였다. 한편 컴퓨터의 발전은 개별 은하와 은하 그룹, 은하단의 수치 모의실험을 가능하게 함으로써 은하가 형성하는 과정이나 진화하는 모습을 단계별로 이해하는데 중요한 역할을 하고 있다.

 

• 원반(galactic disk): 나선은하나 렌즈형 은하의 형태학적 특성으로, 별과 차가운 성간물질이 납작한 접시의 형태로 집중되어 있는 부분이다.

• 나선팔(spiral arm): 나선은하의 중심에서 뻗어 나와 원반 위에 굽어진 팔 모양을 따라 별과 차가운 성간물질이 밀도파(density wave)의 형태로 존재하는 부분이다.

• 중앙 팽대부(bulge): 나선은하나 렌즈형 은하의 중심에 위치한, 항성이 둥근 구체의 모양으로 집중되어 있는 부분이다.

• 헤일로(galactic halo): 은하를 전체적으로 둘러쌓고 있는 둥근 부분으로 뜨거운 가스나 암흑물질이 주 구성물이며, 나선은하의 경우 나이가 많은 항성과 구상성단이 주로 거주하는 지역이다.

• 색 이분 현상(color bimodality): 통계적으로 은하 종족이 붉고 밝은 red sequence와 푸르고 상대적으로 어두운 blue cloud로 나뉘는 현상이다.

• 은하 충돌(galaxy collision): 두 은하 혹은 이상의 은하들 사이에 작용하는 중력으로 인해 서로 충돌하는 현상이다.

• 은하 병합(galaxy merging): 은하 충돌 후 두 개 이상의 은하가 합쳐지는 현상이다.

• 왜소은하(dwarf galaxy): 1억 개 정도 혹은 그 이하의 별로 이루어진 작은 은하이다.

• 거대타원은하(giant elliptical galaxy): 수천억 개 혹은 그 이상의 별로 이루어진 큰 은하로 주로 은하의 공간밀도가 큰 은하단 내에 존재한다.

• 가장 밝은 은하단 은하(BCG; Brightest Cluster Galaxy): 은하단 내에서 가장 밝은 은하로 형태학적으로는 주로 거대타원은하이며 거의 은하단의 중심에 위치한다.

• 활동성은하(active galaxies): 방출하는 에너지의 상당 부분이 별, 먼지, 성간물질 같은 것이 아닌 은하 중심의 초거대질량 블랙홀이나 은하의 일부분에 집중된 별 형성 활동으로부터 나오는 은하이다.

• 활동성은하핵(AGN; Active Galactic Nuclei): 초거대질량 블랙홀로 인하여 막대한 에너지가 나오는 은하 중심이다.

• 퀘이사(QSO; Quasi Stellar Object): 거리가 먼 활동성은하핵이다.

• 강착원반(accretion disk): 활동성은하핵이나 은하 중심에 집중된 별 형성 지역 주변에 형성되는 물질의 원반이다.

• 은하군(galaxy group): 수십 개 정도의 은하가 묶인 중력계를 말한다.

• 국부은하군(local group): 우리은하와 안드로메다은하가 속한 은하단을 말한다.

• 은하단(galaxy cluster): 수백~수천 개의 은하가 묶인 중력계이다.

• 초은하단(supercluster): 여러 개의 은하군 또는 은하단이 모여 이루는 구조이다.

• 형태-밀도관계(morphology-density relation): 은하의 공간밀도가 높은 지역으로 갈수록 타원은하와 렌즈형 은하의 비율이 높은 반면, 공간밀도가 낮은 지역에는 주로 나선은하와 불규칙은하가 분표하는 현상이다.