은하수건너별구름나라로.. 서울대토요강좌 2017 년 10 월 28 일 김웅태 ( 서울대학교물리 천문학부 ) wkim@astro.snu.ac.kr 1 부 : 은하의발견 1
은하수 ( 銀河水 ) 갈릴레오갈릴레이 (1610 년 ) 자신이만든망원경을사용하여은하수를관찰 은하수가셀수없이많은희미한별들의집단임을역사상처음으로발견 지구에서본 우리은하 이로부터유추할수있는우리은하의모습은? 2
우리은하의크기 / 모습은? 숲속에서숲전체의모습을파악하기쉽지않듯이, 지구에서우리은하의모습을제대로알기가어렵다. 그러나완전히불가능하지는않다. 3
Thomas Wright (1750 년 ) 관측보다는신학적기반으로얇은구각모형제시 태양은구각의중간에위치 적은별 많은별 Immanuel Kant (1755) Wright 의모형을기초로중심에대해회전하는렌즈형원반모형제시 태양은원반의가장자리에위치 은하수는유일한은하가아니라, 우리은하너머많은다른은하가존재한다고생각 희미한성운 (nebula) 로관측 섬우주 (island universe) 4
William & Caroline Herschel (1785) 48 인치망원경을이용하여은하수를따라하늘의 683 방향에대해별의개수측정 모든별이같은밝기를갖고있으며별의밀도가일정하다고가정 은하의끝까지관측할수있다고가정 맷돌모습의은하모형제시 크기는약만광년 태양은중심부근에존재 태양 1 광년 [light year] 거리의단위 광년 빛이 1 년간진행하는거리 = 9 조 5 천억 km 태양까지는 8 분 20 초 1 억 5 천만킬로미터 5
Herschel 남매가태양이은하의중심에위치한다는결론을내리게된근본적인이유는? 우주공간이텅비어있어서은하의끝을볼수있다고믿었기때문 그러나우주공간은텅비어있지않다. 은하평면에있는성간물질 ( 기체와먼지 ) 이별빛의소광 ( 消光 ) 을일으키기때문이다. 허쉘은우리은하에있는모든별을본것이아니라, 태양근처에놓여있는극히일부의별만볼수있었음 6
나선성운 1700 년대에이루어진관측장비와기술의발전으로많은나선성운이관측되었다. 나선성운의정체는? 메시에목록 M31 M51 7
소용돌이성운 (M51) William Parsons (1800-1867) 72-inch 망원경을이용하여수많은나선성운발견 나선성운은외부은하라고인식 섬우주설과성운설 섬우주설 Island Universe Hypothesis Kant [1755] 의생각에서비롯 나선성운은우리은하처럼많은별로구성된또다른은하로우리은하밖에있는천체 우리은하는숱한은하로구성된아주큰우주속의한개의은하에불과 성운설 Nebular Hypothesis Laplace [1796] 의태양계형성에관한성운설에서비롯 우리은하의내부에있으며, 또다른태양계를잉태하고있을지모른다. 우리은하자체가전우주 어떤것이옳은지어떻게알수있을까? 8
가 나 지구에서보았을때밝기가같은두별 겉보기밝기 나 가 실제로는 가 별이 나 별보다훨씬밝고, 지구로부터멀리있기때문일수있다. 절대밝기 별의거리측정은별의밝기를이용 별의밝기는거리에제곱에따라감소 천체의겉보기밝기와절대밝기를알면그천체까지의거리를구할수있다. 9
맥동변광성 세페이드변광성 / 거문고자리 RR 형변광성 별의맥동 ( 수축 / 팽창 ) 에의해밝기가변한다. 밝기시간 ( 일 ) Henrietta Leavitt 밝기( 태 1912 년 Henrietta Leavitt 은소마젤란성운에있는세페이드변광성을관측하여주기 - 밝기관계를발견 양=1) 주기 ( 일 ) 10
밝기( 태 Leavitt 의논문 맥동변광성의주기 - 밝기관계 세페이드변광성 광도 거문고자리 RR 형변광성 밝기 밝은세페이드변광성 어두운세페이드변광성 시간 ( 일 ) 맥동변광성의주기 - 밝기관계 주기 - 밝기관계 질량이큰별일수록맥동주기가길다. 질량이큰별일수록밝다. ( 겉보기밝기, 주기 ) 관측 ( 겉보기밝기, 절대밝기 ) 거리 양=1) 주기 ( 일 ) 11
세페이드변광성은거리측정에매우유용한도구 거리 =5600 만광년 Harlow Shapley (1885-1972) 구상성단에있는세페이드 /RR Lyrae 변광성을관측 거리측정. 93 개의구상성단의공간분포연구 구상성단이궁수자리 (Sagittarius) 쪽으로집중되어있음을발견 우리은하의지름은약 30 만광년이며태양은우리은하의중심에있지않다!!! 나선성운은우리은하만큼크지않으며, 비교적가까이있다. 태양 30 만광년 12
Shapley 의두가지실수 Shapley 는별을어둡게보이게하는성간물질 [ 기체 / 먼지 ] 의존재를알지못했다. 성간소광때문에별이실제보다더 [ 멀리 / 가까이 ] 있는것처럼보인다. 성간먼지의소광효과는 1929 년 Trumpler 에의해서확인 은하중심부의소광량은약 30 등급 Shapley 는세페이드변광성이밝거나어두운두종류가있다는것을알지못했다. 어두운종류를관측했으나밝은종류의주기 - 광도관계를이용하여거리측정 Robert Trumpler 구상성단까지의거리를과대평가. 먼지에의한별빛의흡수를결코무시할수없다. NGC 4013 13
대토론회 (The Great Debate) 나선성운의정체는? Shapley 구상성단은아주멀리있다 우리은하는매우크다 Shapley Curtis 1920 년 4 월 26 일, 미국국립과학아카데미의초청으로 Shapley 와 Hurber Curtis 의대토론회 Curtis 우리은하의크기는약 3 만광년이다. M31 까지의거리는약 50 만광년이므로우리은하밖에있다. 섬우주설의승리 1923 년허블 안드로메다성운에있는세페이드변광성을이용하여이은하까지의거리, 100 만광년을측정 [ 현대값은 250 만광년 ] 윌슨산천문대 60 인치반사망원경 14
은하에있는별의개수 : 약 100,000,000,000개우주에있는은하의개수는? 47 Tuc 의 HST 사진 나선은하 은하의종류 불규칙은하 타원은하 15
타원은하 M87 NGC 4365 둥글거나타원형모습 대채로나이가많은별 젊은별또는별탄생영역이없음 ( 성간물질이거의없다.) 나선은하 원반및나선팔을포함 젊은별및별탄생영역이많다. ( 성간물질이풍부하다 ) 16
막대나선은하 나선은하의 1/3 은막대나선은하 중심핵을관통하는막대와막대의양끝에서시작한나선팔을갖고있다. NGC1300 허블의은하분류 타원은하 정상나선은하 막대나선은하 17
NGC 6822 불규칙 은하 원반, 타원체를 갖고 있지 않는 부정형의 은하 대개 크기가 작다. 별 탄생이 활발하다. LMC 우리은하는 막대나선은하 18
2 부 : 나선은하의구조 메시에목록 M31 M51 M74 M101 M106 19
관측으로부터어떠한나선팔의특징을알수있을까? 나선팔의개수 나선팔의형태 피치각 NGC 5426 NGC 5427 나선팔의개수 주로 2 개, 4 개 불꽃놀이은하 NGC 6946 m=4 M81, m=2 NGC 1232, m=4 20
나선팔의개수 주로 2 개, 4 개 드물게 1 개, 3 개 짜리도있음 NGC 4618; m=1 NGC 4625; m=1 팔이 3 개인나선은하 Q2343-BX442, m=3 ( 거리 110 억광년 ) 21
나선의형태 황금나선 log r =θ θ r 아르키메데스나선 r =θ r = 1 θ 쌍곡선형나선 나선팔의형태 - M51 황금나선형 22
나선팔과동심원의사이각 i=0, 원 i=90 도, 중심을통과하는직선 황금나선팔은피치각이일정 : i= 20 도 피치각 i 황금나선곡선그리기 황금나선 = 피보나치나선 23
황금비, 1:1.618 은하의구조및물질구성 원반 별 : 질량의 9% 성간물질 : 질량의 1% 중앙팽대부 헤일로 원반을둘러싼공간 암흑물질 : 은하질량의 90% 원반이납작한이유는중심에대해회전하기때문 24
은하원반의회전 M 83 은하를구성하는물질은중심에대해회전운동한다. [ 암흑물질의 ] 중력 = 원심력 은하의회전속도곡선 회전속도 실체관측치 베라루빈 (1970 년대 ) 밝은원반에의한예상치 거리 은하의관측된회전속도곡선을설명하기위해서는빛을방출하지않는 ( 보이지않는 ) 물질이있어야한다. 암흑물질 25
암흑물질 은하원반의 ` 편평한 속도곡선을설명하기위해서는암흑물질이있어야한다. 은하원반을회전하게만드는요인 우주에서질량의약 85% 가암흑물질 볼수, 맛볼수, 만질수, 냄새맡을수없다. 단지중력을통해서만감지할수있다. 암흑물질의정체를아직아무도모른다. 회전의종류 강체회전 차등회전 26
은하원반은차등회전 나선팔이론 나선팔이밝은이유는별들이많이모여있기때문 어떤방식으로별이모여있는가? 물질팔 : 나선팔자체가 ( 별이라는 ) 물질로구성 밀도파 : 나선팔은파동 나선팔을구성하는별이시간에따라다르다. NGC 5033 27
물질팔이론 나선팔자체가 ( 별이라는 ) 물질로구성 나선팔에있는별은항상나선팔안에만머문다. 별들이은하를회전함에따라나선팔도은하를별과같은속도로회전 물질팔의감김문제 시작 5 천만년후 1 억년후 5 억년후 실제은하 : 나선팔의나이 10 억년 나선팔이물질팔이라면은하의차등회전에의해너무빨리감긴다. 시간이충분히지나면나선팔을더이상분간할수없다. 28
밀도파이론 파동 : 요동이매질을통해퍼져나가는현상 수면파 : 물결의요동이수면을따라서퍼져나가는것으로위치마다수면의높이가다르다. 밀도파 : 별로이루어진회전원반에자연스럽게나타나는밀도의파동파동 수면파 밀도파 (M51) 밀도파 은하에서의별의궤도 약간길쭉한타원궤도 ( 원궤도도타원궤도의일종 ) 타원궤도의장축을적절하게정렬시켜다양한형태의나선팔을만들수있다. 원궤도 타원궤도 29
각별은주어진궤도를따라은하를공전하지만, 나선팔에는항상많은별들이있음 ( 밀도파 ] 은하를회전하는별들은나선팔근방을통과하며 ( 중력에의해 ) 속도가느려짐 별들은오랜시간동안나선팔에머물수있음 나선팔과별형성 나선팔 나선팔은중력이강한지역 성간구름이나선팔로들어가며충격을받아높은밀도로압축 - 새로운별이만들어짐 30
충격파 음속보다빨리움직이는물체에의해, 기체가높은밀도로압축되어생겨난밀도 / 압력의불연속경계면 나선팔의생성 나선팔이밀도파라면밀도파를일으키는요인은무엇일까? 은하내부적요인 ( 중력 ) 외부적요인 : 인접한은하에의한조석력 31
나선팔의깃털구조 나선팔로몰려든고밀도로압축된성간물질은별탄생과더불어수직방향의깃털구조를생성 막대와핵고리의형성 animation 32
3 부 : 은하의충돌 입자의충돌 충돌은 입자의개수가많을수록 입자가크기가클수록 입자가속도가빠를수록더빈번하게일어난다. 33
별의충돌 별의크기는이웃별의거리에비해너무작아서충돌을거의겪지않는다. 예 ) 태양의크기 = 7x10 5 km 이웃별 ( 알파센타우리 ) 까지의거리 = 4x10 13 km 서울 - 북경간의거리 (1000 km) 콩 (1cm) 별의충돌 은하에있는별들간의충돌이일어날까? 아마도일어날것이다. 그러나빈번하게생기지는않을것이다. 충돌의평균시간은 10 19 yr 별의충돌은은하의진화에중요하지않음 34
은하의충돌 사이거리 (10 cm) 콩 (1cm) 은하단에있는은하가주변의은하와충돌하는데평균십억년이걸린다. 우주의나이는 137 억년 은하의충돌은매우빈번하게일어난다. 은하의충돌 두은하가충돌하더라도은하를구성하는별들끼리의직접적인충돌은거의일어나지않는다. 다만, 다른은하가미치는중력에의해은하의형태가변한다. 35
충돌하는은하들 안테나은하 36
Arp 148 37
UGC 10214 올챙이은하 고리은하 녹색 : 나이많은별붉은색 : 기체 / 먼지자주색 : X-ray [ 블랙홀 ] 파란색 : 젊은별 38
은하단은하의충돌 헤라클레스은하단 요약 은하수는우리은하 은하는모양에따라타원은하, ( 막대 ) 나선은하, 불규칙은하로나뉜다. 우리은하는막대나선은하 은하의나선팔 대수적나선팔, 2개 회전원반에자연스럽게나타나는밀도의파동 인접한은하가미치는조석력에의해생성 은하에있는별들은충돌을겪지않지만, 은하들은서로충돌하여형태가극적으로변한다. 꼬리, 다리, 나선팔, 고리은하형성 39
감사합니다! 40