목차
● 우리은하 천문학
● 외부은하 천문학
● 우주론
우리은하 천문학
우리의 태양계는 국부 은하군에 속해 있는 막대나선은하인 우리은하(Galaxy Milky Way)에 속해있고, 우리은하의 중심을 공전하고 있습니다. 먼지, 가스, 암흑물질, 별들이 서로의 중력을 통하여 묶여서 우리은하를 구성하고 있고, 이들의 공통 질량중심을 축으로 회전하고 있습니다. 태양계는 성간먼지를 포함하는 바깥쪽 나선팔에 위치해 있기 때문에 먼지기 시야를 가려 지구에서 볼 수 있는 우리은하의 모습은 많은 부분이 제한되어 있습니다.
우리은하의 중심부에는 막대 모양의 팽대부가 있고, 은하 중심에는 거대한 블랙홀이 있는 것으로 받아들여지고 있습니다. 은하 중심부는 바깥쪽으로 소용돌이처럼 퍼져나가는 네 개의 나선팔로 둘러싸여 있습니다. 나선 팔은 금속함량이 많고 젊은 항성종족 별들이 탄생하는 곳입니다. 은하 원반을 구형의 은하 헤일로가 둘러싸고 있는데 여기는 주로 늙은 항성종족 별들이 조밀하게 뭉친 구상성단들이 분포하고 있습니다.
별들 사이에는 먼지와 가스등으로 이루어진 희박한 성간 물질이 분포하고 있습니다. 성간 물질의 밀도가 높은 곳에서는 수소분자 및 다른 원소들로 구성되어 있는 분자 구름이 만들어지고 이곳에서 바로 별들이 태어납니다. 별의 생성은 처음에는 분자구름이 밀집된 암흑성운의 형태로 시작되며, 이들은 압축되고 붕괴되어 원시별을 형성하게 됩니다.
무거운 별들은 강한 항성풍을 방출하고 초신성 폭발로 일생을 마치게 되는데 이로 인하여 주변의 성간물질이 흩어지게 됩니다. 때론 여러 별들로 이루어진 산개 성단이 만들어지기도 하는데 산개 성단의 별들은 차츰 흩어지게 되면서 우리은하의 항성 종족에 편입됩니다.
우리은하 및 외부은하에 대한 운동학적 연구를 통해서 보이는 물질보다 더 많은 질량이 존재한다는 사실을 알게 되었습니다. 이렇게 빛을 내지는 않지만 질량이 가지는 암흑물질의 본질은 아직 규명되지 않았으나 암흑물질 헤일로가 우주에 있는 물질의 거의 대부분을 차지하고 있는 것으로 보입니다.
외부은하 천문학
외부은하 천문학은 우리은하 밖의 천체와 현상을 연구하는 분야로, 주로 은하의 형성과 진화, 외부은하의 형태와 분류, 은하군과 은하단, 그리고 이들로 이뤄진 우주의 거대 구조를 연구합니다.
대부분이 은하들은 모양에 따라 나선은하, 불규칙은하, 타원은하로 분류됩니다. 이름대로 나선은하는 납작한 회전하는 원반 모양을 하고 있으며 중심부의 팽대부와 나선 모양의 팔들로 이루어져 있습니다. 나선팔들은 성간 먼지를 많이 포함하고 있고 주로 별들이 형성되는 곳으로 푸른빛을 띠고 있습니다. 나선은하들은 주로 나이가 많은 별들로 이루어진 헤일로에 둘러 쌓여 있습니다. 우리은하와 안드로메다 은하가 대표적인 나선은하입니다. 불규칙 은하는 나선 은하와 타원은하로 분류할 수 없는 일정하지 않은 모양의 은하입니다. 이런 불규칙한 모양은 다른 은하와의 상호작용 때문에 만들어집니다. 타원 은하는 하늘에 투영된 모습이 타원을 띄는 은하입니다. 타원 은하의 별들은 무작위적인 궤도를 가지고 움직이고 있으며 성간물질이 적고, 새로 생성되는 별이 적은, 주로 나이가 많은 별들로 이루어져 있습니다. 타원 은하들은 주로 은하단의 중심부에 위치하고 있으며 여러 은하들이 합쳐져서 만들어졌다고 여겨지고 있습니다.
활동은하는 방출하는 에너지의 상당 부분이 먼지, 별, 성간 물질 같은 것이 아나라 은하 중심의 다른 에너지원 즉 블랙홀로부터 나오는 은하입니다. 이런 활동은하핵은 강착원반을 가진 초대질량 블랙홀이라고 여겨집니다. 활동은하에는 시퍼트 은하, 블레이저, 전파 은하, 퀘이사 등이 있습니다. 전파은하는 일반적인 은하와 달리 전파에서 매우 강한 빛을 내며 퀘이사는 우주에서 가장 밝은 천체 가운데 하나입니다.
우주 거대구조는 이런 개개의 은하들이 모여서 이루는 구조를 의미합니다. 우주의 거대 구조는 계층적으로 만들어지는데 은하들이 모여서 은하군을 이루고 있고, 이 은하군들이 모여서 은하단은 형성하고, 다시 초은하단을 만드는 식입니다. 이런 거대한 군집들은 다시 필라멘트 구조와 그 사이의 공동을 이루며 분포합니다.
우주론
물리 우주론은 우주가 처음 어떻게 생겼고 어떻게 진화했는지와 같은 근본적인 질문을 다루는 분야입니다. 우주론의 연구 대상으로는 대폭발 핵합성, 우주 거대구조, 우주 마이크로파 배경, 암흑물질, 암흑에너지등이 있습니다. 우주론의 바탕이 되는 이론은 우주가 약 137억 년 전에 시공간의 한 점에서 시작되어 현재까지 팽창해 왔다는 대폭발 이론입니다. 1965년 우주 마이크로파 배경이 발견됨으로써 대폭발 이론은 널리 받아들여지게 되었습니다.
우주가 팽창하는 동안에 우주는 여러 중요한 단계를 거치게 됩니다. 대폭발 직후 아주 초기에는 우주가 급팽창이라고 불리는 기하급수적인 빠른 팽창을 겪었다고 생각되며 급팽창 때문에 우주가 현재 관측되는 것처럼 등방적(isotropic)이고 균질 (homogeneous)하게 되었을 것이라고 여깁니다.
급팽창 이후 중수소, 헬륨과 같은 기본적인 원소들이 만들어졌는데 우주를 구성하는 대부분의 물질 즉 바리온이 만들어진 이 과정을 대폭발 핵합성 또는 원시 핵합성이라고 부릅니다.
우주가 팽창하고 식어감에 따라서 중성 원자들이 처음으로 만들어지게 되었으며 이 덕분에 빛이 이온화된 전자들에 의해 방해받지 않고 여행할 수 있게 됨으로써 우주가 투명해지게 됩니다. 이때 발생한 빛이 현재의 우주 마이크로파 배경으로 관측이 됩니다. 그러나 아직 빛을 낼 수 있는 별들이 만들어지지 않았기 때문에 이 이후의 시기를 우주의 암흑시대(Dark Age)라고 부릅니다.
우주에 존재하던 작은 밀도 요동으로부터 처음으로 천체들이 만들어지기 시작했습니다. 물질들이 밀도가 높은 지역으로 뭉치면서 거대한 가스 덩어리를 만들고, 이곳에서 처음으로 별들이 만들어지게 됩니다. 이 별들은 내부의 핵융합을 통해 무거운 원소들은 만들게 되고 이때 발생하는 빛들은 주위의 가스를 이온화시키면서 재전리라는 과정을 시작하게 만들었습니다.
별들이 중력에 의하여 모이면서 처음으로 은하들을 만들게 되었고 은하들이 다시 중력에 의해 분포하면서 은하군이나 은하단과 같은 더욱더 큰 구조들을 만들고 이것은 우주의 거대구조를 형성하게 됩니다.
암흑 물질과 암흑 에너지는 이런 우주론의 근본적인 구성성분이 되어 왔고 두 성분을 합쳐서 우주 전체의 96%를 차지한다고 받아들여지고 있습니다. 그러나 암흑 물질과 암흑 에너지가 무언인지에 대해서는 아직 밝혀지지 않았으며, 현대 우주론과 천문학의 주요 미해결 문제 중에 하나입니다.