대중천문학개론 알아야할천문우주학 7 강. 은하와우주 1. 닫힌우주 2. 열린우주 3. 평탄우주 4. 급팽창이론 3. 은하 우주모형 3. 팽창우주의나이 Deepsky 은하와우주 우주론 1. 성운 2. 성단 1. 관측적사실 2. 우주팽창 1
1. DeepSky 너무멀리있거나또는가까이있지만실제밝기가어두워서육안관측이불가능한천체 육안관측 : 개인에따라, 장소에따라 5 등급 에서 6 등급까지관측가능 2
DeepSky 의종류 성운 : 우주공간에존재하는기체와고체미립자들로구성된성간물질로서거대한구름형태의천체 성단 : 수천또는수십만의천체들이상호인력에의해공간적으로어느한지역에밀집해있으며, 공통된운동을하는천체 은하 : 우주가생성된후, 백수십억년전에탄생한천체로서수억개에서수조개의별과가스로이루어진천체 반사성운 : 온도가높은별주위에있는성운이별빛을 반사하여빛나게된다. 성운 (nebula) 의종류 - 푸른빛이붉은빛보다더많이산란되기때문에반사성운은주로푸른빛을띈다. 발광성운 : 성간가스가높은온도의별에서나오는자 외선을받아이온화하여스스로빛을발하는성운. 암흑성운 : 다량의고체미립자가밝은성운이나은하 바로앞에서뒤의빛을차단시켜그림자의형태로나타난다. 3
반사성운 - 오리온대성운 반사성운 - 플레이아데스 4
발광성운 - 장미성운 발광성운 - 독수리성운 5
암흑성운 - 삼렬성운 암흑성운 - 말머리성운 6
성단 (Cluster) 산개성단 : 수십개에서수백개의별들이산만하게모여 있는성단. 푸른색의뜨거운별들이은하면에가까이에위치하고있다. 구상성단 : 수십만개의별들이공처럼모여있고, 거의구 대칭형태를이루며, 은하중심근처에서은하끝부분에이르기까지분포되어있다. 반지름은 20pc 에서 50pc 정도이며, 역학적으로매우안정되고, 은하생성초기에생긴것으로추정되며중원소함량이적은늙은별들로구성되어있다. 산개성단 - 플레이아데스성단 7
산개성단 - 페르세우스이중성단 산개성단 - 보석상자성단 8
산개성단 - 프레세페성단 구상성단 - M13 9
구상성단 - M3 성운에대한대논쟁 20 세기초망원경으로본은하 : 희미한작은반점으로보여우리은하의일부인성단, 가스성운및티끌과구분불가능 성운 (Nebulae) 라명명됨 칸트 (1724-1804): 18 세기에몇몇성운들은멀리있는항성계일것이라제안 1908 년까지 15,000 개의성운이목록에기재 몇몇성운은가스성운으로정확하게확인 관측가능한항성과비교될만한거리에있는경우가스성운 우리은하의가장자리이상떨어져있다면수십억개의별들집단? 10
성운에대한대논쟁 인간의상상력을초월하는거대한장관 1920 년까지의천문학자들의의견 : 우주의모든것들이우리은하안에들어있다 1924 년 : 우리은하가유일한것이아님이밝혀짐 21 Edwin Hubble 100 인치망원경으로 M31 등대형나선은하발견 900,000 어두운세페이드변광성몇개를발견 900,000LY 떨어짐을확인 격리된은하! 1925 년성운의거리에관한허블의논문이발표되었을때기립박수를받았다 우주연구의새로운시대가개막 - 외부은하천문학 - 1000 만 LY 떨어진가까운나선은하 M83( 직경 3 만 LY) 11
은하 (galaxy) 나선은하 (Sa, Sb, Sc) 막대나선은하 (SBa, SBb, SBc) 타원은하 (E0, E1, E2 E7) 렌즈형은하 (S0 ), 불규칙은하 (Ir) 1944 년 Walter Baade : 안드로메다은하에서두종족구별 종족 Ⅰ 나선팔에있는밝고푸른별 종족 Ⅱ Halo, 핵팽대부, 구상성단을구성하는별들 12
현재의종족구별 종족 Ⅰ 종족 Ⅱ 위치나선팔은하전반, 핵팽대부에집중 운동 구성 나이 중원소함량 은하중심주위를원궤도로운동 밝은초거성, 높은광도의주계열성성간물질, 분자운 ~100 억년정도 ( 태양포함 ) 은하원반높은곳에서 Halo 속으로타원궤도운동 행성상성운, RR Lyrae 형별구상성단 110 억년 ~ ( 초기탄생한늙은별들 ) 전체항성질량의 1~4% 태양함량의 1/10~1/100 별이죽으면 그원소가원료물질로되어 새로운세대의별탄생 시간이지나면중원소가많아짐 : 별들의탄생시기를알수있음 나선은하 나선팔을가지고있는은하로서중심부에공모양의구상팽대부 ( 벌지 ) 가있고, 2 개또는그이상의나선팔이뻗어나와소용돌이를이루고있다. 이러한나선팔이있는곳을원반부라고하며, 이곳에는수많은가스와성간물질들이있어은하의빛을차단하고있다. 13
나선은하 - 바람개비은하 M101 (NGC5457) 나선은하 - 안드로메다은하 (M31, NGC224) 14
막대나선은하 은하핵중심에막대모양이있으며, 그양끝으로나선 팔이감겨있는은하. 막대나선은하는 SBa, SBb, SBc 등으로구분된다. SBa 에서 SBc 로갈수록나선팔은점점이완상태가되 고중앙팽대부도작아져간다. 막대나선은하 - NGC1365 15
막대나선은하 - M91 (NGC4548) 타원은하 타원체형의모양을하고있고일반적으로원반부가없고, 중심으로부터주변으로가면서완만하게어두워지는형상을하고있다. 타원은하에는가스등의성간물질은거의없으며, 대부분종족 II에속한늙은별들로구성되어있다. 16
타원은하 - M87 타원은하 17
불규칙은하 - LMC 불규칙은하 - Cen A 특이은하 (NGC5128) 18
2. 우주론 인류는먼옛날부터밤하늘에대해의문을품고그속에담긴의미를알기위해애써왔다. 우주론이란? 우주론이란? 우주의기원, 그거대한구조및진화를연구 수학을이용해서가상의 ' 우주모델 ' 을만들고, 이모델의특성과알려져있는우주의특성을비교한다 정상우주 빅뱅모델 새로운물질이계속생성되어일정한밀도를유지 우주가한차례의대폭발로부터계속팽창 19
우주에관한관측적사실 모든은하들의적색이동 은하들의거시분포는등방균질 우주의내용물이시간에따라변함 중력은시공간을휘게한다 팽창 우주의팽창 - 별이우주내에서생겨나기위해선우주내에먼지나티끌같은물질이있어야 -> 이런물질들은초기에원시우주의대폭발에의해생겨났다 ( 빅뱅이론 ) -> 처음에혼돈이있었고, 곧이어폭발이있었음을암시 20
우주의팽창 - 빅뱅이일어난직후폭발되는물질덩어리의뜨거운온도는우주가사방으로팽창하면서온도가급속히떨어지기시작 -> 3분후 10억도 -> 70만년정도가지나면 3000도정도 ( 물질생성 ) -> 혼돈의세계가정돈 -> 빛이물질속을통과 -> 초기우주의가스구름을형성 -> 은하와별들이형성 (10억년후 ) -> 항성 ( 태양 ) 과행성 ( 지구 ) 들이형성 - 복사는우주가팽창하면서냉각되어적색이동 팽창우주의나이 허블시간 : 시간 = 거리 / 속도 우주의나이 : 허블상수의역수 V = H d 허블상수의측정이관건 : 은하들의속도와거리를측정해야 허블상수 : 15-35 km/s/10 6 ly 우주의나이 : 100 억년 - 200 억년 최근관측결과 허블상수 : 25 km/s/10 6 ly 우주의나이 : 130 억년 21
우주나이측정의다른방법 구상성단 47 Tucanae: 우리은하에서가장늙은천체 ( 약 150억년 ) 별들은빅뱅이후 최소 10 억년후에탄생 우주의나이 최소한 160 억년 아직우주의나이는불확실 우주의모형 우주팽창속도의감속 : 물질의중력에의해 우주의임계밀도 : 우주의팽창을멈추게할정도의중력을내는밀도 우주의실제평균밀도가임계밀도보다크다 우주는언잰가팽창을멈추고수축 우주의실제평균밀도가임계밀도보다작다 우주는팽창을영원히계속 22
우주의 3 가지모형 단힌우주 (1): 평균밀도 > 임계밀도 열린우주 (2): 평균밀도 < 임계밀도 평탄우주 (3): 평균밀도 = 임계밀도 ( 가까스로영원팽창 ) 임계밀도 : 허블상수의함수예 : H 0 = 25km/s/ 백만광년임계밀도 : 10-29 g/cm 3 우주의실제밀도측정이중요 우주모형의예 우주모형 나이 (10 억년 ) 평균밀도 (g/cm 3 ) 궁극적운명 닫힌우주 9 이하 10-29 이상팽창정지후수축 평탄우주 9 대략 10-29 겨우영원팽창 열린우주 9 이상 10-29 이하영원히팽창 현재관측치 10-31 - 10-30 g/cm 3 23
빅뱅의증거, 배경복사 Alper & Hermann (1940 년대후반 ) : 배경복사예측 Penzias & Wilson (1967) : 배경복사관측 (2.7K) 1978 년노벨물리학상수상 COBE 위성 : 우주배경복사를관측 이론과관측의일치 COBE 우주배경복사관측결과 1. 오늘날우리가보는우주는뜨겁고, 균일한상태로부터진화한것 2. 한쪽방향에서측정한 CBR 가정반대방향에서측정한 CBR 보다약간더뜨거운기체에서나오는것처럼보인다. 우리가어디로움직이는지알수있다 우리은하가속한국부은하단이바다뱀자리방향으로약 500 km/s 의속도로움직이고있다 3. CBR 세기가모든파장에서정확하게흑체복사와일치 초기우주는아주평온 24
표준대폭발이론의제문제 성공 - 우주의팽창및우주배경복사의관측을설명 - 가벼운원소들의함량을정확하게예견 설명못하는점 - 왜우주에는반물질보다물질이많은가? - 은하형성을가능케하는밀도요동의기원은? - 왜우주전체가균일한가? - 왜우주의밀도가임계값에가까운가? 대통일장이론 온도가높은상태에서는한가지힘이존재, 온도가낮아지면서여러가지힘으로분리 자연의여러가지힘들 힘상대적세기작용범위중요적용대상 중력 1 우주전체행성, 별, 은하운동 전자기력 10 36 우주전체원자, 분자, 전기, 자기장 약한핵력 10 33 10-17 m 방사능붕괴 강한핵력 10 38 10-17 m 원자핵의존재 25
네가지힘과우주냉각 10-35 초이전의초기우주에서 4 가지힘이통합 힘이분리될때 중력이척력으로우주팽창을일시적으로가속시켰을수도 우주초기의급격한팽창 급팽창우주 우주초기의급격한팽창 우주크기가빅뱅이론이예견하는것보다 10 50 배나더커졌다 10-30 초이후완전히동일 모든부분들이아주작은영역에갇혀있어서각자의정보교환가능 우주의많은부분들이상호간의지평선거리를넘어섬 A 시간동안 : 전자, 양전자그리고가벼운원자핵생성 B: 우주가복사에대해투명 26
우주의밀도문제 급팽창우주는우주밀도가임계밀도와비슷함을예견 급팽창으로풍선을엄청난크기로부풀어버린결과를초래하여우리에게곡률자체가잘보이지않게되어평평하게됨 부분적으로거의평평하게보일정도로팽창한우주의밀도는임계밀도와같다 실제관측된밀도는임계밀도의 10% - 20% 정도 암흑물질 암흑물질의가능성 우주의밀도 ( 암흑물질포함 ) 에기여하는천체들 천체 임계밀도에대한 % 로나타낸밀도 항성 1 % 이하 개개의은하들 1-3% 은하단 10-20% 보이지않는질량 50-100% 충분한질량을지닌중성미자 WIMPs (Weakly Interachting Massiv Particles) 27
결론 E. Hubble 의성운의세계 (The Realm of the Nebulae) 그러므로보면볼수록더미궁으로빠지는우주.... 먼곳을볼수록쓸모없어지는우리의지식.... 그러나잘못된관측들사이에서, 우리는희미하게숨겨진실체를찾고있네 1. 닫힌우주 2. 열린우주 3. 평탄우주 4. 급팽창이론 3. 은하 우주모형 3. 팽창우주의나이 Deepsky 은하와우주 우주론 1. 성운 2. 성단 1. 관측적사실 2. 우주팽창 28