나선은하
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1. 개요
나선은하는 별, 성간물질, 나선팔, 팽대부, 헤일로 등으로 구성된 은하의 한 유형이다. 팽대부는 늙은 별로 구성된 중심부이며, 나선팔은 밝은 별과 성간물질이 나선형으로 뻗어 있는 구조이다. 나선은하는 큰 각운동량과 팽대부를 둘러싼 원반, 그리고 암흑 물질 헤일로를 가지고 있다. 나선팔은 밀도파 이론과 확률적 자체 전파 별 형성 모델을 통해 설명되며, 우리 은하 또한 막대나선은하로 밝혀졌다. 과거에는 나선은하를 나선 성운으로 불렀으나, 에드윈 허블의 연구를 통해 우리 은하 외부에 존재하는 독립된 천체임이 밝혀졌다.
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| 나선은하 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 유형 | 은하 |
| 별자리 | 안드로메다자리 조각칼자리 머리털자리 돛자리 센타우루스자리 세페우스자리 게자리 조각가자리 용골자리 살쾡이자리 기린자리 목동자리 작은곰자리 사냥개자리 |
| 특징 | |
| 구성 요소 | 성간매질 성단 항성 암흑물질 |
| 식별 | |
| 적색편이 | 0.001 ~ 0.1 |
| 분류 | |
| 허블 분류 | S |
| 기타 | |
| 참고 사항 | 팔이 은하 중심에서 바깥쪽으로 나선형을 이루는 은하 우주의 은하의 대부분을 차지 |
2. 구조
나선은하는 원반, 팽대부, 헤일로, 초대질량 블랙홀 등 뚜렷한 여러 요소로 구성된다.[8]
- 별과 성간물질로 구성된 평탄하고 회전하는 원반
- 주로 늙은 별로 구성된 중심의 항성 팽대부
- 많은 구상성단을 포함하는 구형에 가까운 별의 헤일로
- 팽대부 중심에 있는 초대질량 블랙홀
- 일반적인 회전곡선으로 알 수 있는 구형에 가까운 암흑물질 헤일로
이러한 요소들의 상대적인 질량, 밝기, 크기는 은하마다 다르다. 나선은하는 전체적으로 큰 각운동량을 가지며, 중심부의 팽대부가 원반에 둘러싸인 구조를 가진다. 팽대부는 타원은하와 비슷하게 오래된 별인 종족 II 별을 많이 포함하고 있으며, 중심에는 거대 질량 블랙홀이 존재할 가능성이 크다. 원반은 납작하고 회전하며, 성간물질과 젊은 종족 I의 별, 산개성단 등을 포함한다.
나선은하라는 이름은 원반 내에 밝은 나선팔을 가지고 있기 때문에 붙여졌다. 나선팔은 팽대부에서 바깥쪽으로 나선형으로 뻗어 있으며, H II 영역과 같은 활발한 별 생성 영역이나 '''암흑대'''라고 불리는 어두운 줄무늬 모양의 구조를 따라 나타난다. 솜털나선은하와 같이 뚜렷하지 않은 나선팔을 가진 은하도 있지만, 나선팔의 존재는 나선은하와 렌즈상은하를 구별하는 특징이다. 나선은하의 원반은 구상성단으로 존재하는 종족 II 별을 포함하는 큰 타원체인 은하 헤일로에 둘러싸여 있다.
우리 은하 역시 나선은하로, 과거에는 허블 분류에서 Sb형으로 여겨졌으나, 최근 연구에서는 막대나선은하일 가능성이 높아 SBb형으로 추정된다.
2. 1. 팽대부 (Bulge)
팽대부(''bulge'')는 별들이 빽빽하게 밀집된 거대한 영역이다. 이 용어는 대부분의 나선은하에서 발견되는 별들로 구성된 중심 영역을 가리킨다. 허블 튜닝포크 다이어그램에서 Sa형 은하의 팽대부는 보통 낮은 금속함량의 늙고 붉은 항성종족 II의 별들로 구성되어 있으며, 크기가 큰 경향이 있다. 반면, Sc형 및 SBc형 은하의 팽대부는 훨씬 작으며, 어리고 푸른 항성종족 I의 별들로 구성되어 있다.[9] 일부 은하의 팽대부는 타원은하와 유사한 특징을 가지고 있지만, 다른 은하의 팽대부는 원반은하와 유사한 특징을 가진 원반의 고밀도 중심으로 보이기도 한다.
많은 팽대부는 중심에 초대질량 블랙홀을 품고 있는 것으로 여겨진다. 이러한 블랙홀은 직접 관측되지 않지만, 간접적인 증거들이 존재한다. 예를 들어, 우리 은하의 경우 궁수자리 A*라는 천체가 초대질량 블랙홀일 것으로 추정된다. 블랙홀의 질량과 팽대부 별들의 속도 분산 사이에는 밀접한 관계 (M-시그마 관계)가 있다.[8]
2. 2. 원반 (Disk)
별과 성간물질로 구성된 평탄하고 회전하는 원반이다.[8] 원반은 납작하고 회전하며, 성간물질과 젊은 종족 I의 별, 산개성단 등을 포함한다.[8] 나선은하는 원반 내에 밝은 '''나선팔'''을 가지고 있기 때문에 그 이름이 붙여졌다. 나선팔은 팽대부에서 바깥쪽으로 나선을 그리듯이 뻗어 있으며, 팔을 따라 '''암흑대'''라고 불리는 어두운 줄무늬 모양의 구조나 H II 영역과 같은 활발한 별 생성 영역이 보인다.[8] 솜털나선은하라고 불리는, 별로 명확하지 않은 끊어진 나선팔을 가진 은하도 있지만, 이 나선팔의 존재로 나선은하와 렌즈상은하(S0 은하)는 구별된다.[8]2. 3. 나선팔 (Spiral arms)
나선팔은 막대나선은하와 나선은하의 중심에서 뻗어나오는 별들의 영역이다. 이러한 길고 가느다란 영역은 나선 모양을 닮았으며, 따라서 나선은하라는 이름이 붙었다. 나선은하의 분류에 따라서 서로 다른 팔 구조를 가지는데, 예를 들어 Sc형과 SBc형 은하는 매우 "느슨한" 팔을 가지고 있는 반면, Sa형과 SBa형 은하는 (허블 순차에 따라) 단단하게 감긴 팔을 가지고 있다. 어느 쪽이든 나선팔은 많은 젊고 푸른 별들을 포함하고 있는데(높은 질량 밀도와 높은 별 생성률 때문) 이것이 팔을 매우 밝게 만든다.[30]
나선팔은 나머지 은하보다 젊은 별과 더 크고 밝은 별을 모두 포함하고 있기 때문에 시각적으로 더 밝게 보인다. 거대한 별들은 훨씬 더 빠르게 진화하며, 그들의 소멸은 밀도파 바로 뒤에 더 희미한 별들의 어두운 배경을 남기는 경향이 있다. 이로 인해 밀도파가 훨씬 더 두드러진다.
나선팔은 은하 궤도를 따라 이동할 때 더 오래된 기존의 별들을 통과하는 것처럼 보일 뿐이며, 따라서 반드시 팔을 따라가는 것은 아니다.[27] 별들이 팔을 통과할 때 각 항성계의 공간 속도는 국지적으로 더 높은 밀도의 중력에 의해 수정된다. 또한 새로 생성된 별들은 나선팔 내의 위치에 영원히 고정되어 있지 않으며, 별들이 팔의 반대편으로 떠난 후 평균 공간 속도가 정상으로 돌아온다.[29]
2. 4. 헤일로 (Halo)
팽대부와 원반을 감싸는 구형의 영역인 헤일로는 주로 늙고 금속 함량이 낮은 항성종족 II형 별들과 구상성단으로 구성된다.[8] 은하 헤일로의 별들은 역행 운동, 큰 궤도 경사각 등 불규칙적인 궤도 운동을 하는 경우가 많다.[51] 헤일로 별들은 외부 은하에서 포획되었을 가능성도 제기된다. 예를 들어 궁수자리 왜소타원은하는 우리 은하와 병합 중이며, 우리 은하 헤일로의 일부 별들은 이 은하에서 유래한 것으로 보인다. 은하 헤일로는 성간 먼지가 거의 없는 것으로 알려져 있다.[8]헤일로 별들의 운동은 때때로 원반을 통과하게 하며, 태양 근처의 여러 작은 적색왜성들은 은하 헤일로에 속하는 것으로 생각된다. 이러한 별의 예로는 캅테인의 별과 그룸브리지 1830이 있다. 이들은 은하 중심 주변을 불규칙적으로 운동하기 때문에 종종 매우 큰 고유운동을 보인다.
2. 5. 초대질량 블랙홀 (Supermassive black hole)
대부분의 나선 은하 중심부에는 초대질량 블랙홀이 있을 것으로 예상된다. 이러한 블랙홀은 직접 관측되지 않지만, 여러 간접적인 증거들이 존재한다. 예를 들어, 우리 은하 중심부에 있는 궁수자리 A*는 초대질량 블랙홀로 여겨진다. 블랙홀의 질량과 팽대부 별들의 속도 분산 사이에는 밀접한 관계, 즉 M-시그마 관계가 있다.[8]2. 6. 암흑 물질 헤일로 (Dark matter halo)
암흑물질 헤일로는 일반적인 회전곡선에 의해 드러나는, 구형에 가까운 형태를 띤다.[8] 암흑 물질 헤일로의 질량, 밝기, 크기는 은하마다 다르다.3. 나선 구조의 기원
나선 은하의 나선팔 형성은 오랫동안 천문학계의 난제였다. 1925년부터 베르틸 린드블라드는 이 문제를 연구하면서 별들의 나선형 배열이 영구적으로 유지될 수 없다는 것을 알았다. 은하 원반은 은하 중심으로부터의 거리에 따라 회전 각속도가 달라지는 차등 회전을 하기 때문에, 반경 방향의 나선팔은 은하가 회전함에 따라 빠르게 굽게 된다.
이 문제를 해결하기 위해 1960년대부터 두 가지 주요 가설이 제시되었다.
- 은하 원반에서의 밀도파에 의한 별 형성
- SSPSF 모형(확률적 자체 전파 별 형성 모형) - 성간 물질에서의 충격파에 의한 별 형성
이 가설들은 서로 다른 유형의 나선팔을 설명하므로 상호 배타적이지 않다.
3. 1. 감김 문제 (Winding problem)
베르틸 린드블라드는 은하의 회전과 나선팔 형성에 관한 연구의 선구자로, 1925년부터 이 문제를 연구했다. 그는 별들의 나선형 배열이 영구적으로 유지될 수 없다는 것을 알았다. 은하 원반은 은하 중심으로부터의 거리에 따라 회전 각속도가 달라지는 차등 회전을 하기 때문에, 방사형 팔은 은하 회전에 의해 빠르게 굽게 된다. 은하가 회전할수록 나선팔은 점점 더 굽어지고 은하핵 주변을 더 꽉 감게 되는데, 이를 감김 문제(winding problem)라고 부른다.[54] 1960년대 말의 측정 결과는 나선 은하에서 별의 궤도 속도가 은하 중심으로부터의 거리에 따라 뉴턴역학에서 예상되는 것보다 실제로 더 크다는 것을 보여주었지만, 여전히 나선 구조의 안정성을 설명할 수는 없었다.1964년, C. C. 린과 프랭크 슈는 이 문제를 해결하기 위해 나선팔이 원반에 생긴 나선형의 밀도파가 눈에 보이는 것이라는 이론을 제안했다. 그들은 원반 내 별들의 궤도가 약간 타원 궤도를 그리며, 그 타원 궤도의 방향이 별들끼리 서로 상관관계를 가지고 은하 중심으로부터의 거리에 따라 부드럽게 조금씩 변화한다고 가정했다. 이러한 조건에서 별들의 궤도는 원반 내에 별의 밀도가 높은 부분을 나선형으로 만들게 된다. 따라서 원반 내의 별은 현재 위치에 영원히 머무르는 것이 아니라, 궤도 운동에 의해 팔 부분을 정기적으로 통과하게 된다.
이는 고속도로에서 발생하는 정체 현상에 비유되기도 한다. 정체 부분은 은하의 나선팔에 해당하며, 정체 속의 자동차는 거기에 머무르지 않고 저속으로 달리다가 결국 정체 부분을 빠져나간다. 이와 마찬가지로 나선팔을 구성하는 별은 항상 같지 않고 바뀌지만, 팔 자체는 별의 밀도가 높은 부분으로서 같은 위치에 계속 존재한다.[41]
3. 2. 밀도파 이론 (Density wave theory)
베르틸 린드블라드는 나선팔이 은하의 별과 가스보다 느리게 회전하는 밀도가 높은 영역(밀도파)을 나타낸다고 제안했다. 가스가 밀도파에 들어가면 압축되어 새로운 별을 만들어내는데, 그 중 일부는 수명이 짧은 청색 별로 나선팔을 밝게 빛나게 한다.[27]1964년, 린, 천청(C. C. Lin)과 슈, 프랭크(Frank Shu)는 나선 구조에 대한 이론을 제시했다.[28] 이들은 고정된 각속도로 전파되는 작은 진폭의 파동으로 나선의 대규모 구조를 설명하려 했다. 이 파동은 은하의 가스와 별들과는 다른 속도로 은하 주위를 회전한다. 그들은 별들이 약간 타원형 궤도를 따라 이동하며, 그 궤도의 방향이 상관관계를 갖는다고 가정했다. 즉, 타원의 방향은 은하 중심으로부터의 거리가 증가함에 따라 부드럽게 변한다.
타원 궤도는 특정 영역에서 서로 가까워져 팔의 효과를 나타낸다. 따라서 별들은 우리가 현재 보고 있는 위치에 영원히 머무르는 것이 아니라, 궤도를 따라 이동하면서 팔을 통과한다.[29]
밀도파에 의한 별 생성에 대한 가설은 다음과 같다.
- 가스 구름이 밀도파로 이동함에 따라 국부적인 질량 밀도가 증가한다. 구름 붕괴의 기준(진스 불안정성)은 밀도에 따라 달라지므로, 더 높은 밀도는 구름이 붕괴하여 별을 형성할 가능성을 높인다.
- 압축파가 통과하면 나선팔의 앞쪽 가장자리에서 별 생성이 촉발된다.
- 구름이 나선팔에 휩쓸리면서 서로 충돌하여 가스를 통해 충격파를 발생시키고, 이는 가스가 붕괴하여 별을 형성하게 한다.
나선팔은 젊은 별과 더 크고 밝은 별을 모두 포함하고 있기 때문에 시각적으로 더 밝게 보인다. 거대한 별들은 훨씬 더 빠르게 진화하기 때문에,[30] 그들의 소멸은 밀도파 바로 뒤에 더 희미한 별들의 어두운 배경을 남기는 경향이 있다. 이로 인해 밀도파가 훨씬 더 두드러진다.
별들이 팔을 통과할 때 각 항성계의 공간 속도는 국지적으로 더 높은 밀도의 중력에 의해 수정된다. 또한 새로 생성된 별들은 나선팔 내의 위치에 영원히 고정되어 있지 않으며, 별들이 팔의 반대편으로 떠난 후 평균 공간 속도가 정상으로 돌아온다.[29]
이는 고속도로의 정체 구간에 비유될 수 있다. 정체 구간은 은하의 나선팔에 해당하며, 정체 속에 있는 자동차는 저속으로 이동하다가 결국 정체 구간을 빠져나간다. 이와 마찬가지로 나선팔을 구성하는 별은 항상 같지 않고 바뀌지만, 팔 자체는 별의 밀도가 높은 부분으로서 같은 위치에 계속 존재한다.[41]
3. 3. 확률적 자체 전파 별 형성 모델 (SSPSF model)
SSPSF 모형(확률적 자체 전파 별 형성 모델, stochastic self-propagating star formation model)은 성간 물질의 충격파에 의해 별 형성이 연쇄적으로 일어나는 모델이다.[54] 이 가설은 다른 유형의 나선팔을 설명하기 때문에, 밀도파 이론과 서로 배타적이지 않다.4. 우리 은하
우리 은하는 한때 평범한 나선 은하로 여겨졌다. 천문학자들은 1990년대에 우리 은하가 막대나선은하일 것이라고 처음으로 의심하기 시작했다.[62] 1990년대 이후 막대 구조의 증거들이 발견되었으며, 2005년 스피처 우주 망원경 관측을 통해 은하 중심의 막대 구조가 이전에 예상했던 것보다 더 크다는 사실이 밝혀지면서 이 의심은 확인되었다.[63]
우리 은하계는 허블 분류에서 Sb에 해당한다고 생각되었지만, 최근 연구에서는 막대나선은하라는 설이 유력하며, 그 경우에는 SBb에 해당하지 않을까 여겨지고 있다.
5. 유명한 나선 은하
6. 기타
나선성운(''spiral nebula'')은 과거에 나선은하를 일컫던 용어였다. 20세기 초까지 대부분의 천문학자들은 소용돌이 은하와 같은 천체들이 우리은하 안에 있는 성운의 일종이라고 생각했다. 그러나 1920년대 히버 커티스와 할로우 섀플리 사이의 대논쟁과, 1926년 에드윈 허블의 관측을 통해 이들이 우리은하 바깥의 다른 은하임이 밝혀졌다.[61]
6. 1. 나선 성운 (Spiral nebula)
나선성운(''spiral nebula'')은 과거에 나선은하를 일컫던 용어였다. 20세기 초까지 대부분의 천문학자들은 소용돌이 은하와 같은 천체들이 우리은하 안에 있는 성운의 일종이라고 생각했다. 이들이 실제로 우리은하와는 별개의 다른 은하라는 생각은 1920년 릭 천문대의 히버 커티스와 윌슨산 천문대의 할로우 섀플리 사이에 벌어졌던 대논쟁의 주제였다. 1926년 에드윈 허블은 안드로메다 은하를 포함하는 몇몇 나선성운에서 세페이드 변광성을 관측하여 이들이 우리은하 바깥의 완전한 은하임을 밝혀내었다.[61] 이후 "나선성운"이라는 용어는 사용되지 않고 있다.
우리 은하 외부에 나선 은하가 존재한다는 사실이 밝혀지기 전에는, 윌리엄 파슨스 로스 경의 망원경 레비아탄이 처음으로 은하의 나선 구조를 발견했기 때문에 이들을 "나선 성운(spiral nebulae)"이라고 불렀다. 1845년 그는 "소용돌이 은하"라는 별명을 얻게 된 은하 M51의 나선 구조를 발견했고, 그의 그림은 현대 사진과 매우 흡사하다. 1846년과 1849년에 로스 경은 각각 메시에 99와 메시에 33에서 유사한 패턴을 확인했다. 1850년에는 안드로메다 은하의 나선 구조를 처음으로 그렸다. 1852년 스티븐 알렉산더는 우리 은하도 나선 성운이라고 추측했다.[35]
이 천체들이 우리 은하와는 별개의 독립적인 은하인지, 아니면 우리 은하 내에 존재하는 성운의 일종인지는 1920년 리크 천문대의 히버 커티스와 윌슨 산 천문대의 할로 섀플리 사이의 대논쟁의 주제였다. 1923년부터 에드윈 허블[36][37]은 "안드로메다 성운"을 포함한 여러 나선 성운에서 세페이드 변광성을 관측하여, 그것들이 실제로 우리 은하 외부에 있는 완전한 은하임을 증명했다.
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2014-04-02
[55]
저널
원반은하의 나선구조에 관하여
1964-08-01
[56]
뉴스
팬케이크 같이 평평한 은하
http://www.spacetele[...]
2013-12-28
[57]
저널
은하의 방향에 관한 우주론적 대규모 구조의 효과의 관측
[58]
웹사이트
목걸이 구슬 같은 은하
http://www.astronomy[...]
천문학 매거진
2013-12-28
[59]
저널
은하의 나선구조
[60]
뉴스
느슨한 나선은하
http://www.spacetele[...]
2012-11-19
[61]
저널
항성계로서의 나선성운: 메시에 33
1926-05-01
[62]
저널
On the spiral arm interpretation of COMPTEL 26Al map features
[63]
뉴스
우리은하의 심장부에 드러난 막대
http://www.newscient[...]
뉴사이언티스트
2009-06-17
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