과학자들이 중간 크기의 블랙홀이 별을 삼키는 드문 장면을 포착했다. 블랙홀은 무거운 별의 잔해가 뭉쳐 형성되는 항성 질량 블랙홀과 은하계 중심에 있는 거대 질량 블랙홀로 나눌 수 있다. 전자는 태양 질량의 수십 배 이하 크기지만, 후자는 수백만 배에서 수십억 배에 달하는 매우 큰 질량을 지니고 있다. 그런데 드물기는 하지만 그 중간 질량을 지닌 블랙홀도 존재한다. 태양 질량의 수천 배에서 수만 배에 달하는 중간 질량 블랙홀은 관측이 힘들고 숫자도 많지 않아 연구가 쉽지 않았다. 그런데 미국 뉴햄프셔 대학 연구팀은 유럽우주국(ESA)의 XMM-뉴턴 X선 관측 위성 데이터 및 미 항공우주국(NASA)의 찬드라, 스위프트 관측 위성 데이터를 분석해 중간 질량 블랙홀이 태양 같은 별을 삼키는 장면을 포착했다. 3XMM J215022.4−055108라고 명명된 이 X 선원은 사실 처음에는 그 정체가 명확하지 않았지만, 과거 관측 이미지와 대조해본 결과 새롭게 생긴 X선 방출원이었다. 위치는 7억4000만 광년 떨어진 은하의 외곽 지역이었다. 면밀한 검토 끝에 과학자들은 이것의 정체가 태양 질량의 5000배 정도 되는 중간 질량 블랙홀이라는 결론을 내렸다. 블랙홀은 빛조차 빠져나올 수 없는 강력한 중력을 가지고 있기 때문에 아무것도 흡수하는 물질이 없다면 그 존재를 확인하기 어렵다. 하지만 블랙홀이 주변에서 많은 물질을 흡수하면서 제트(jet)라는 강력한 물질의 흐름을 방출하면 이야기가 달라진다. 은하 중심 블랙홀은 물질의 밀도가 높은 은하 중심에서 물질을 흡수하고 항성 질량 블랙홀은 동반성에서 물질을 흡수하면서 매우 강력한 제트와 에너지를 방출한다. 이번 연구에서 발견된 중간 질량 블랙홀은 별이 밀집해 있는 성단 안에 있는 것으로 보인다. 따라서 그 앞을 우연히 지나던 별을 중력으로 잡아당겨 흡수한 것으로 풀이된다. 이번 발견은 중간 질량 블랙홀이 성장하는 방식을 보여줌과 동시에 더 많은 중간 질량 블랙홀이 숨어 있을 가능성을 시사한다. 연구팀은 과거 XMM-뉴턴을 비롯한 여러 관측 위성 데이터에 이런 신호가 숨어 있을 가능성에 기대를 걸고 있다. 이번 일은 과학자들에게는 좋은 기회지만, 평화롭게 수십억 년 세월을 살다가 운 나쁘게 블랙홀에 잡혀 사라진 별에는 안된 일이다. 그런데 혹시라도 우리 태양이 같은 상황에 부닥칠 위험성은 없을까? 결론부터 말하면 걱정할 이유가 없다. 중간 질량 블랙홀이 생각보다 더 많더라도 블랙홀 자체가 우주에 흔한 존재가 아니다. 더구나 이런 블랙홀은 주변에 흡수할 수 있는 별이 많은 구상 성단에서 성장하는 것으로 보이는데, 태양은 이런 장소에서 멀리 떨어져 앞으로 수명이 다할 때까지 그런 일이 발생할 가능성은 극히 희박하다. 따라서 이미 지구 안에 여러 가지 근심거리를 지닌 우리가 저 멀리 떨어진 블랙홀을 걱정할 필요는 없는 것이다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

약 1억5000만 광년 거리에 있는 거대한 블랙홀 하나가 항성을 잡아먹는 모습이 포착됐다. 태양보다 질량이 2000만 배 이상 큰 이 괴물 천체에서 별을 빨아먹는 과정에서 트림하듯 나온 ‘제트’ 현상을 천문학자들이 관측하는 데 성공한 것이다. 이런 초질량 블랙홀은 평소 잠을 자듯 가만히 있지만 별이 사정권 안에 들어오면 본격적인 사냥을 시작한다. 그런데 블랙홀의 강력한 중력에 붙잡힌 별은 가까운 쪽과 먼 쪽에 작용하는 중력의 크기가 달라 마치 면 가락을 뽑듯 가늘고 길게 늘어난다. 그러면 블랙홀은 이를 마치 국수 먹듯 삼킨다. 이른바 ‘조석파괴사건’(TDE·tidal disruption event)으로 불리는 이 우주 현상은 지금까지 극히 일부에서만 발견됐지만, 우주 초기에는 더 흔한 일이었다고 천문학자들은 추정한다. 미국국립전파천문대(NRAO)가 주도한 국제천문학연구팀은 세계 각지에 있는 여러 전파망원경과 적외선망원경을 사용해 ‘Arp 299’로 불리는 충돌하는 두 은하 중 한쪽에서 이런 조석파괴사건을 발견할 수 있었다. 두 은하 중 한쪽 중심에 있는 초질량 블랙홀은 태양보다 질량이 두 배 이상 큰 별 하나를 흡수하며 조석파괴사건에서 중요한 세부적인 내용을 보여줬다. 천문학자들은 이 불운한 별에서 뜯겨 나온 물질들이 블랙홀 주위에 회전 원반을 형성하고 일부 물질이 블랙홀 자전축 양방향으로 고속으로 분출하는 제트를 형성한다고 말한다. 이번 관측 연구에 공동저자로 참여한 스페인 안달루시아 천체물리학연구소의 미겔 페레스-토레스 박사는 “지금까지 조석파괴사건에서 제트의 형성과 진화 과정이 직접 관측된 적은 없었다”고 말했다. ‘Arp 299’에 블랙홀이 존재한다는 것을 보여주는 첫 번째 증거는 2005년 1월 30일에 나왔다. 당시 천문학자들은 카나리아제도에 있는 윌리엄허셜망원경을 사용해 두 은하 중 한쪽 중심에서 방출된 밝은 적외선 폭발을 포착했다. 같은해 7월 17일 미국 전역에 설치된 10개의 전파망원경 네트워크인 ‘베리롱베이스라인어레이’(VLBA)에서도 Arp 299의 같은 위에서 방출된 새로운 별개의 전파를 확인했다. 거의 10년 동안에 걸쳐 시행된 VLBA와 유럽 VLBI 전파망원경 네트워크(EVN), 그리고 또다른 전파망원경들을 사용한 지속적인 관측에서 블랙홀의 제트 분출 현상은 예상대로 한 방향에서 폭발하는 전파 방출임을 보여줬다. 관측된 전파 팽창은 제트 속 물질이 평균적으로 빛의 속도의 약 4분의 1로 이동했음을 보여줬다. 다행히 전파는 은하 속 블랙홀로 흡수되지 않고 지구까지 도달할 수 있었다. 대부분 은하 중심에는 태양의 몇백만 배에서 몇십억 배의 질량을 가진 초질량 블랙홀이 존재한다. 블랙홀 하나에는 질량이 너무 많이 집중돼 있어 중력이 너무 강해 빛조차 빠져나갈 수 없다. 하지만 블랙홀이 주변 물질을 흡수하는 과정에서 제트 분출이 일어나 블랙홀의 존재를 보여준다. 이는 전파 은하와 퀘이사에서 볼 수 있는 현상이다. 페레스-토레스 박사는 “하지만 대부분의 경우 초질량 블랙홀은 어떤 것도 파괴할 만큼 활동적이지 않아 조용한 상태”라면서 “조석파괴사건은 우리에게 강력한 블랙홀 부근에서 제트 형성과 진화에 대한 이해를 증진할 특별한 기회를 줄 것”이라고 말했다. Arp 299의 초기 적외선 폭발은 충돌하는 두 은하에서 초신성 폭발을 감지하기 위한 프로젝트 진행 도중 발견됐다. Arp 299에서는 수많은 별이 폭발하며 초신성이 된다. 이 때문에 Arp 299는 초신성 공장으로도 불린다. 블랙홀 제트 분출 역시 처음에는 초신성 폭발로 여겨졌다. 처음 관측된지 6년 뒤인 2011년에서야 전파 방출 부분이 증가하기 시작했다. 그후 관측에서는 이런 전파 팽창이 증가했고 과학자들은 자신들이 보고 있는 것이 초신성이 아니라 제트임을 알 수 있었다. 자세한 연구 성과는 세계적 학술지 사이언스(Science) 최신호에 실렸다. 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

여러 은하 중심에는 저마다 거대질량 블랙홀이 존재한다. 이런 블랙홀은 평소 잠을 자듯 가만히 있지만, 별이 옆을 지나치게 되면 본격적인 '사냥'을 시작한다. 그런데 블랙홀의 강력한 중력에 붙잡힌 별은 가까운 곳과 먼 곳에 작용하는 중력의 크기가 달라 마치 면가락을 뽑는 것처럼 가늘고 길게 늘어난다. 그러면 블랙홀이 이를 마치 국수 먹듯 호로록 삼키는 것이다. 우주에서 가장 폭력적인 사건 중 하나로 이른바 ‘조석파괴사건’(TDE·tidal disruption event)으로 불리는 이 현상을 이론 천체물리학자들은 새롭게 조명했다. 덴마크 코펜하겐대 산하 닐스보어연구소와 미국 캘리포니아대 산타크루스캠퍼스 공동 연구진은 빠르게 성장하고 있는 블랙홀 연구 분야에 새로운 이론적 관점을 제시했다. 연구에 공동저자로 참여한 코펜하겐대의 엔리코 라미레스-루이스 교수는 “지난 10여 년 동안 우리는 TDE를 다른 은하계 현상과 구별해낼 수 있었고 새로운 이번 모델은 이런 사건(TDE)을 이해하는 기본적인 틀을 제공할 것”이라고 말했다. 대다수 은하 중심에 있는 블랙홀은 소강상태라서 별의 잔해와 같은 물질을 적극적으로 삼키지 않아 빛을 내뿜지 않는다. 블랙홀이 별을 삼키는 조석파괴사건은 일반적인 은하에서 1만 년에 1번 발생할 정도로 드문 현상이기 때문이다. 하지만 운 나쁜 별 하나가 블랙홀에 너무 가까이 접근하면 갈가리 찢기고 만다. 그러면 블랙홀은 한동안 별의 잔해를 먹다가 과식해 강력한 방사선을 내뿜는 것이다. 연구를 이끈 코펜하겐대의 제인 리신 다이 조교수는 “이런 극한 상황에서 (별의) 물질이 블랙홀로 어떻게 들어가는지 관측하는 것은 흥미로운 일이다”면서 “블랙홀은 별의 가스를 삼키며 엄청난 양의 방사선을 방출한다”고 말했다. 또 “그 방사선은 우리가 관측할 수 있는 것으로 이를 이용해 우리는 물리학을 이해하고 블랙홀의 특성을 계산할 수 있다”면서 “이는 조석파괴사건을 찾아나서는 것을 매우 흥미롭게 한다”고 말했다. 지금까지 관측된 약 20건의 조석파괴사건에서는 모두 똑같은 물리학적인 현상이 일어난 것으로 예상되지만, 이들 사건의 관측에서 나타난 특성은 크게 달랐다. 어떤 사건은 대부분 X선을 방출하지만, 또 다른 사건은 대부분 가시광선과 자외선을 방출했다. 과학자들은 이런 다양성을 이해하기 위해 고심하고 있으며 퍼즐 조각 같은 차이점을 일관성 있게 수집하고 있다. 연구진은 일반 상대성 이론과 자기장, 방사선, 가스 유체역학 등의 요소를 결합해 새로운 모델을 만들었고 블랙홀이 별을 먹을 때 방출하는 방사선에 차이가 생기는 이유를 관찰자의 시야각에 있다고 설명한다. 라미레스-루이스 교수는 “이는 마치 어떤 짐승 한 마리의 일부분을 베일로 덮어놓은 것과 같다. 어떤 각도에서 우리는 짐승의 노출된 부분을 볼 수 있지만, 또 다른 각도에서는 베일에 덮인 부분만을 볼 수 있는 것”이라면서 “이 짐승은 같지만 우리의 인식이 다른 것”이라고 말했다. 자세한 연구 결과는 ‘천체물리학저널 레터’(ApJL·Astrophysical Journal Letters) 최신호에 게재됐다. 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

‘빅아일랜드’라고 부르는 하와이 제도의 가장 큰 섬 하와이에는 해발 4000m가 넘는 높이를 가진 마우나케아산이 있다. 고도가 높다 보니 오르다 보면 숨이 턱 밑까지 차오르지만 산에서 보는 석양은 그야말로 장관이다. 이 때문에 하와이의 최고 관광 상품은 마우나케아산에서 보는 석양이라고 자랑하는 주민도 있다. 청정한 환경과 높은 고도 덕분에 마우나케아는 천문대 건설 최적의 부지 중 하나다. 석양을 보기 위해 산을 오른 관광객들은 세계 최고의 천문대들이 하늘과 산의 경계에 늘어서 있는 특이한 모습도 함께 감상할 수 있다. 지난 4월 말 우리 은하 중심의 초대형 블랙홀 국제 공동 연구를 위해 마우나케아에서 2주간 머물며 관측을 했다. 관측 전후에 하와이에서 두 번째 큰 도시 힐로에서 이틀간 시간을 보낼 기회가 있었다. 하와이 제도에서 호놀룰루 다음으로 인구가 많은 도시라고는 하나 인구수는 호놀룰루의 10분의1 정도인 약 4만명에 불과한 전원 마을이다. 우연히 하와이 원주민이 운전하는 택시에 타게 돼 하와이 왕국 시절 수도였던 힐로 대신 작은 섬 오하우의 호놀룰루가 새로운 중심지가 된 이유에 대해 물었다. 20세기 하와이에 닥쳤던 두 번의 큰 쓰나미에 가장 남쪽에 위치한 하와이 섬과 힐로가 큰 피해를 입었고 그 후에는 해변 가까이로는 건물을 짓지 않는다는 이야기를 들을 수 있었다. 1940년대 쓰나미가 힐로를 강타하는 순간 찍은 사진 몇 장도 보게 됐는데 맑은 바닷물이 수십m 벽을 이루어 도시를 덮치는 순간이 생생히 기록되어 있었다. 힐로에는 이 재난을 기록한 쓰나미 박물관도 있다. 국제 천문학계는 마우나케아에 세계 최대 수준인 30m 직경 TMT(Thirty Meter Telescope) 망원경 건설을 준비하다가 지역 주민들의 반대로 공사를 진행하지 못했다는 이야기를 들은 바 있어 이에 대해서도 그에게 물었다. 그랬더니 마우나케아는 우리의 백두산처럼 하와이 주민들에게는 ‘영산’으로 신성한 장소라는 답이 돌아왔다. 또 그동안 여러 천문대가 마우나케아에 세워지는 과정에서 미국 정부의 사업 시행 과정이 합법적이지 않았다는 이야기도 들었다. 비록 의례적이기는 하나 “앞으로의 과정은 주민들이 공정하다고 느낄 수 있도록 진행되기를 바란다”고 말했다. 같은 말이라도 다른 선진국 출신의 연구자들보다 더 진심을 담은 것으로 받아들였기를 바란다. 출장을 마치고 돌아온 다음날부터 하와이섬 남쪽 킬라우에아의 화산 활동이 연일 전해지고 있다. 이번 화산 활동이 하와이에 큰 피해를 주지 않아 이번에 인연을 맺은 하와이 사람들의 무사하고 행복한 모습을 다음에 다시 보게 되기를 소망한다.

중력이 너무 커 빛조차 빠져나갈 수 없는 천체 블랙홀. 태양 질량의 몇 배에서 몇십 배에 이르는 이런 블랙홀은 우리 은하에만 몇천 개 존재한다. 그런데 우리 은하 중심에는 이런 블랙홀을 다 합친 것보다도 무거운 거대한 블랙홀이 자리잡고 있다. 그 이름은 바로 ‘궁수자리 A별’(Sagittarius A* 혹은 Sgr A*)로 불리는 거대질량 블랙홀이다. 지난 7일(현지시간) 미국 최대 소셜사이트 레딧닷컴에 이 거대질량 블랙홀을 10년 동안 관측한 모습을 십여 초 분량의 타임랩스 방식으로 만든 영상이 소개돼 화제가 되고 있다. 정확히 말하면 블랙홀은 관측이 어려우므로, 적외선 자료에 기초해 그 주변에 있는 별들의 움직임을 보여주는 것이다. 궁수자리 A별은 궁수자리와 전갈자리 경계 근처, 우리 은하의 중심에 있는 밝고 작은 전파원으로, 지구에서 약 2만 6000광년 떨어져 있다. 지름은 약 2250만 ㎞. 질량은 태양의 400만 배와 맞먹는 것으로 알려졌다. 여기에는 거대질량 블랙홀이 존재하는 것으로 생각돼 주변 별들은 우리 은하 안에 있는 다른 별들보다도 빠른 속도로 궁수자리 A별을 돈다. 특히 영상 속에서 타원을 그리는 항성 S2는 태양보다 질량이 15배 큰 별로, 궁수자리 A별에 가장 근접했을 때의 속도는 5000㎞/s에 이르는 것으로 알려졌다. 영상을 접한 한 네티즌은 “이 블랙홀이 얼마나 강력한 중력을 지니고 있는지 잘 알려주는 영상이다. 태양 질량의 15배에 달하는 물질의 경로를 단시간에 바꿔버리는 것 같다”고 말했다. 사진=레딧닷컴 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

별들도 사람처럼 태어나고 늙고 죽는다. 우리 태양 역시 50억 년 후에는 최후를 맞는다. 그러면 태양의 삶이 끝난 후에는 어떻게 될까? 태양을 태우는 연료인 수소가 바닥나면 태양은 무섭게 팽창하기 시작해 적색거성이 되고, 그 다음 별의 외곽이 우주로 떨어져나가 행성상 성운을 만들며, 중심에는 별의 속고갱이라 할 수 있는 백색왜성이 남는 것으로 예측된다. 그러나 최근 천문학자들은 이에 대한 새로운 결론을 이끌어내어 학계의 주목을 받고 있다. 별의 수명은 그 별의 질량과 밀접한 관계가 있다. 질량이 큰 별일수록 수명이 짧다. NASA에 따르면 우리 태양은 지구의 약 109 배인 140만km의 지름을 가진 황색왜성이다. 이런 별은 수명이 약 100억 년으로, 우리 태양은 태어난 지 약 45억 년이므로 중년의 별인 셈이다. 앞으로 50억 년 후면 태양은 수소가 소진되고, 헬륨 같은 더 무거운 원소를 태우는 단계로 돌입한다. 이 단계는 결렬하게 진행되는데, 태양의 몸피가 현재 크기의 100 배 이상으로 팽창하면서 금성 궤도에까지 이를 것이다. 이른바 적색거성의 길을 걷는 것이다. 그 다음은 어떻게 되는가? 태양의 외곽을 이루는 껍질이 우주로 방출되어 거대한 가스 고리의 행성상 성운을 이루게 되어 저 명왕성 궤도에까지 이를 것이며, 별의 속심은 지구 크기의 고밀도 백색왜성으로 축소된다. 이 백색왜성은 은은한 빛으로 자신을 둘러싼 가스 고리를 비출 것으로 보이는데, 문제는 이 가스 고리 성운이 눈에 보일 것인가 하는 것이 천문학계의 오랜 퍼즐이었다. 이 같은 가스 고리는 죽어가는 별의 약 90 %가 방출하는 것으로, 수천 년 동안 그 형태를 유지하는 것으로 알려져 있다. 이미 수십 년 전에 이룩한 컴퓨터 모델에 따르면, 태양 질량의 약 2배 이상인 별만이 밝은 가스 고리 성운을 생성할 수 있는 것으로 나와 있다. 그러나 이 예측은 관측 사실에 일치하지 않는 것으로 밝혀졌다. 국제적인 연구팀의 새로운 연구에 의하면, 무거운 질량의 별도 가시적인 가스 고리를 만들지만, 오래된 타원은하 속의 낮은 질량 별 역시 그러한 가스 고리를 만든다는 관측 결과를 내놓았다. 기존 이론과는 명백히 배치되는 이 ‘오랜 수수께끼’를 풀기 위해 과학자들은 별의 라이프 사이클을 예측할 수 있는 새로운 컴퓨터 모델을 개발했다. 이 새로운 모델에 따르면, 적색거성이 방출한 먼지와 가스 성운은 이전 모델에 비해 3배 빠르게 가열된다. 이처럼 빠른 성운의 가열 상태는 태양 같은 낮은 질량의 별들 역시 가시적 성운을 만들 수 있는 것으로 나타났다. 또한 태양 질량의 1.1 배 미만인 별은 더 희미한 성운을 생성하고, 태양 질량의 3배 이상인 큰 별은 더 밝은 성운을 생성한다는 것으로 밝혀졌다. 이로써 태양 질량의 별이 최후에 남기는 고리 성운의 퍼즐은 25년 만에 해결을 보게 되었다. 결론은, 앞으로 50억 년 후 태양은 적색거성의 길을 걷게 되고, 명왕성 궤도에까지 이르는거대한 고리 성운을 남길 것이며, 그 고리 성운 속에는 한때 인류가 지구 행성에서 이룩했던 문명의 잔해들도 틀림없이 포함되어 있을 것이다. 만약 인류가 지구 종말 이전에 다른 행성으로 이주해서 살고 있다면 분명 고향 행성의 잔해들이 섞여 있는 아름다운 태양 고리 성운을 멀리서 지켜볼 수 있을지도 모른다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

여름이 가까워졌다. 친구나 자녀들과 같이 야외로 나가 밤하늘의 별과 별자리, 은하를 볼 기회가 많아지는 계절이 오고 있다. 뜻밖에 별자리의 정확한 개념을 잘 모르는 사람들이 많은 것 같다. 별자리 자체가 천문학적으로 중요한 의미를 갖는 거라고 생각하는 이들도 적지 않은 듯하다. 과연 별자리는 무엇에 쓰는 것인가를 확실히 알아보도록 하자. 한자로 성좌(星座)라고 하는 별자리는 한마디로 하늘의 번지수다. 땅에 붙이는 번지수는 지번(地番)이라 하니, 별자리는 천번(天番)쯤 되겠다. 이 하늘의 번지수는 88번지까지 있다. 별자리 수가 남북반구를 통틀어 88개 있다는 말이다. 이 88개 별자리로 하늘은 빈틈없이 경계지어져 있다. 물론 별자리의 별들은 모두 우리은하에 속한 것이다. 지난 1930년 국제천문연맹(IAU) 총회에서 온하늘을 88개 별자리로 나누고, 황도를 따라 12개, 북반구 하늘에 28개, 남반구 하늘에 48개의 별자리를 각각 정한 다음, 종래 알려진 별자리의 주요 별이 바뀌지 않는 범위에서 천구상의 적경 · 적위에 평행한 선으로 경계를 정했다. 이것이 현재 쓰이고 있는 별자리로, 이중 우리나라에서 볼 수 있는 별자리는 67개다. 별자리로 묶인 별들은 사실 서로 별 연고가 없는 사이다. 거리도 다 다른 3차원 공간에 있는 별들이지만, 지구에서 보아 2차원 평면에 있는 것으로 간주해 억지춘향식으로 묶어놓은 데에 지나지 않은 것이다. IAU가 그렇게 한 것은 물론 하늘의 땅따먹기 놀이를 하려는 것은 아니고, 오로지 하늘에서의 위치를 정하기 위한 것이다. 말하자면 지적공사에서 빨간 말뚝들을 하늘에다 박아놓은 꼴이다. 이런 별자리들은 예로부터 여행자와 항해자의 길잡이였고, 야외생활을 하는 사람들에게는 밤하늘의 거대한 시계였다. 지금도 이 별자리로 인공위성이나 혜성을 추적한다. 별들은 지구의 자전과 공전에 의해 일주운동과 연주운동을 한다. 따라서 별자리들은 일주운동으로 한 시간에 약 15도 동에서 서로 이동하며, 연주운동으로 하루에 약 1도씩 서쪽으로 이동한다. 다음날 같은 시각에 보는 같은 별자리도 어제보다 1도 서쪽으로 이동해 있다는 뜻이다. 때문에 계절에 따라 보이는 별자리 또한 다르다. 우리가 흔히 계절별 별자리라 부르는 것은 그 계절의 저녁 9시경에 잘 보이는 별자리들을 말한다. 별자리를 이루는 별들에게도 번호가 있다. 가장 밝은 별로 시작해서 알파(α), 베타(β), 감마(γ) 등으로 붙여나간다. 별이 일주운동을 할 때 북극성을 중심으로 하여 도는데, 지구의 자전축이 북극성을 가리키고 있기 때문이다. 북극성을 찾는 것은 북두칠성을 이용하면 쉽다. 북두칠성 됫박의 끝 두 별 거리의 5배를 연장하면 북극성에 닿는다. 예전엔 천체관측에 나서려면 별자리 공부부터 해야 했지만, 요즘에는 별자리 앱을 깐 스마트폰을 밤하늘에 겨누면 별자리와 유명 별 이름까지 가르쳐주니 별자리 공부 부담은 덜게 되었다. 마지막으로, 만고에 변함없이 보이는 별자리도 사실 오랜 시간이 지나면 그 모습이 바뀐다. 별자리를 이루는 별들은 저마다 거리가 다를 뿐만 아니라, 항성의 고유운동으로 1초에도 수십~수백km의 빠른 속도로 제각기 움직이고 있다. 다만 별들이 너무 멀리 있기 때문에 그 움직임이 눈에 띄지 않을 뿐이다. 그래서 고대 그리스에서 별자리가 정해진 이후 별자리의 모습은 거의 변하지 않았다. 별의 위치는 2천 년 정도의 세월에도 별 변화가 없었다는 것을 말해준다. 하지만 더 오랜 세월, 한 20만 년 정도가 흐르면 하늘의 모든 별자리들이 완전히 변모한다. 북두칠성은 더이상 아무것도 퍼담을 수 없을 정도로 찌그러진 됫박 모양이 될 것이다. 그렇다고 별자리마저 덧없다고 여기지는 말자. 기껏 해야 백년을 못 사는 인간에겐 그래도 별자리는 만고불변의 하늘 지도이고, 당신을 우주로 안내해줄 첫 길라잡이니까.　 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

영원히 존재할 것 같은 태양이라도 수명이라는 자연의 법칙은 거스를 수 없다. 태양은 50억 년이라는 영겁의 세월을 살아왔지만 앞으로 50억 년이 더 지나면 적색거성 단계를 거쳐 가스를 대부분 잃고 생을 마감하게 된다. 최근 영국 맨체스터 대학 연구팀이 태양의 종말 후 모습을 예측한 흥미로운 논문을 발표해 관심을 끌고있다. 결론적으로 연구팀이 내다 본 태양의 종말은 단순히 사라지는 것이 아닌 수백만 광년 떨어진 곳에서도 볼 수 있는 행성상 성운이라는 아름다운 가스 성운으로 변화할 것이라는 것. 상식적으로 우주의 나이에서는 하루살이도 되지 못하는 인간이 태양의 종말을 예측하는 것은 어렵다. 그러나 과학자들은 멀고 먼 우주 속의 여러 별들을 관측하면서 태양의 미래를 예측할 수 있다. 일반적으로 별은 종말 단계가 되면 중심부 수소가 소진되고 헬륨만 남아 수축된다. 이어 수축으로 생긴 열에너지로 바깥의 수소가 불붙기 시작하면서 태양보다 100배 크기의 적색거성으로 부풀어오른다. 이후 남은 가스는 행성 모양의 성운이 되고 중심에 남은 잔해는 모여 지구만한 백색왜성을 이룬다. 그간 과학자들의 논쟁은 과연 우리의 태양도 외계에서 관측된 별들처럼 이같은 단계로 변할 것인가 하는 점이었다. 일부에서는 태양의 질량이 너무 작아 행성상 성운이 되기 어렵다고 주장해왔기 때문이다. 그러나 맨체스터 대학 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 태양도 행성상 성운으로 변해 1만 년 이상은 빛을 낼 것이라고 전망했다. 연구를 이끈 앨버트 지즐스트라 박사는 "만약 우리가 200만 광년 떨어진 안드로메다 은하에 산다면 이같은 행성상 성운을 볼 수 있을 것"이라면서 "태양은 희미한 모습을 띠겠지만 성운의 모습은 정말로 아름다울 것"이라고 밝혔다. 흥미로운 점은 먼 외계에 존재하는 행성상 성운을 통해 우리 태양의 미래를 미리 볼 수 있다는 사실이다. 거문고자리에 위치한 NGC 6720이 대표적인 행성상 성운으로 지름은 2.6광년이나 된다.　　 　 박종익 기자 pji@seoul.co.kr

은하 중심에는 대부분 거대 질량 블랙홀 (supermassive black hole (SMBH))이 존재한다. 은하 중심부는 은하에서 가장 물질의 밀도가 높은 장소이기 때문에 거대한 블랙홀이 성장하기 좋은 조건이다. 따라서 태양 질량의 수백만 배에서 수십억 배의 거대한 질량을 지닌 블랙홀이 존재한다. 하지만 만약 두 개 이상의 은하가 충돌하면 어떻게 될까? 과학자들은 우리 은하 같은 대형 은하가 여러 차례 작은 은하를 흡수하면서 커지는 과정을 포착했다. 우리 은하 역시 앞으로 수십 억 년 후 안드로메다 은하와 충돌해 하나의 은하가 될 것이다. 이 과정에서 가장 크고 강한 중력을 지닌 거대 질량 블랙홀은 서로의 중력에 이끌려 결국 충돌을 통해 더 거대한 블랙홀로 거듭난다. 하지만 과연 모든 거대 질량 블랙홀이 하나로 합쳐지게 되는지는 논쟁이 있는 부분이다. 예일 대학과 워싱턴 대학, 파리 천체물리학 연구소, 유니버시티 칼리지 런던의 연구팀은 최신 컴퓨터 시뮬레이션인 로물루스 (Romulus)를 이용해 우리 은하 정도 크기의 대형 나선 은하에 여러 작은 은하가 충돌할 경우 은하 중심 블랙홀이 어떻게 될지 연구했다. 그 결과 모든 거대 질량 블랙홀이 하나로 합쳐지지는 않으며 충돌 위치와 속도 등에 따라 일부 거대 질량 블랙홀은 은하계 외곽을 공전하면서 독자 생존할 수 있다는 증거를 발견했다. 연구팀은 이를 천체 물리학 저널(The Astrophysical Journal)에 발표했다. 이 가설이 옳다면 우리 은하계에도 몇 개의 거대 질량 블랙홀이 주변에서 공전할 가능성이 있지만, 블랙홀이 크더라도 주변에서 흡수하는 물질이 없다면 관측이 어렵다. 글자 그대로 검은 구멍에 지나지 않기 때문이다. 지금까지 발견된 블랙홀은 대부분 흡수되는 물질에서 나오는 에너지와 블랙홀이 물질 흡수 과정에서 방출하는 제트(jet)를 통해 발견했다. 흥미로운 점은 이 거대 질량 블랙홀이 중간에 마주치는 별과 가스를 종종 흡수할 수 있다는 것이다. 만에 하나라도 우리 태양계 근처를 지나갈 경우 중력의 영향으로 행성의 궤도가 크게 변경되거나 심한 경우 아예 태양계 자체가 흡수될 수 있다. 하지만 은하는 넓고 별 사이의 공간도 매우 넓어 이런 일은 쉽게 일어나지 않는다. 태양계가 블랙홀에 접근할 가능성은 1000억 년에 한 번꼴로 우주의 나이보다 훨씬 길기 때문에 크게 걱정할 이유는 없다. 다만 실제로 이런 블랙홀이 존재하는지 알아내기 위해서 갑자기 별이나 가스가 흡수되는 현상이 일어나는지 관측할 필요는 있다. 따라서 앞으로 흥미로운 관측 목표가 될 것으로 보인다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

별은 마지막 순간에 자신의 존재를 가장 화려하게 보여준다. 무거운 별은 초신성 폭발과 함께 최후를 맞이하는데 짧은 순간이지만, 이때는 별 하나가 은하 전체와 비슷한 수준까지 밝아진다. 초신성 폭발과 폭발 후 잔해의 확산은 지구같은 행성과 인간을 비롯한 생명체를 구성하는 무거운 원소를 생성하는 중요한 과정이기 때문에 지금까지 많은 연구가 이뤄졌다. 유럽 남방 천문대 (ESO)의 과학자들은 칠레에 설치된 ESO의 거대 망원경 (VLT)의 MUSE 장비와 나사의 찬드라 X선 위성 데이터를 이용해 지구에서 20만 광년 떨어진 초신성 잔해인 1E 0102.2-7219을 다양한 파장에서 조사했다. 독특하게 생긴 초신성 잔해는 대략 2000년 전쯤 폭발을 일으킨 초신성 잔해로 생각되며 우리 은하의 위성 은하인 소마젤란 은하에 위치한다(사진). 이 초신성 잔해는 작은 이웃 은하의 진화를 연구하는데 중요한 정보를 제공하고 있다. 이번 연구에서 흥미로운 사실은 과거 관측에서 확인할 수 없었던 중성자별을 확인하는 데 성공했다는 점이다. 중성자별은 초신성 폭발 시 중심부의 무거운 원소가 중력으로 압축되어 형성되는 천체로 태양보다 무겁지만, 그 지름은 매우 작아 수십km에 불과하다. 그래도 강력한 에너지를 방출하는 펄서나 혹은 동반성을 지닌 중성자별은 관측이 쉽다. 문제는 혼자 있으면서 자기장도 약한 경우에는 가까이 있는 경우가 아닌 이상 관측이 어렵다는 것이다. 1E 0102.2-7219에서 확인된 중성자별은 이런 종류의 중성자별 가운데서 우리 은하 밖에서 처음으로 확인된 것으로 의미가 있다. 과학자들은 이를 통해 외부 은하의 초신성과 중성자별의 특성을 더 잘 이해할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 1E 0102.2-7219는 이미 죽은 별의 잔해이지만, 아직 뜨겁기 때문에 다양한 파장에서 에너지를 방출하고 있다. 그리고 그 중심에는 죽은 별이 중심부 물질이 모여서 형성된 중성자별이 존재한다. 과학자들은 이를 빛에 둘러싸인 죽은 별 (Dead star circled by light)라고 표현했는데, 마치 사람의 얼굴 같기도 한 독특한 모습이다. 물론 시간이 지나면 초신성 잔해는 주변 성간 가스에 희석되어 사라진다. 하지만 이들은 사라지는 것이 아니라 새로운 별의 재료가 되어 우주를 순환하게 될 것이다. 우리는 죽은 별의 잔해와 동시에 새로운 별의 재료를 보고 있는 셈이다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

우주 공간은 아무것도 없는 진공 상태인 공간이 아니다. 인간의 관점에서 진공이나 다를 바 없는 장소에도 약간의 원자는 존재한다. 주로 수소와 약간의 헬륨, 그리고 소량의 기타 원소로 구성된 성간 가스는 매우 넓게 퍼져 있기 때문에 밀도는 희박해도 질량은 상당하다. 이 가스는 별의 탄생과 은하의 진화에 중요한 역할을 한다. 은하들이 수백 수천 개 모인 거대한 집단인 은하단 역시 내부에 막대한 양의 가스를 지니고 있다. 사실 은하단의 경우 은하의 질량보다 은하 사이 가스의 질량이 더 큰 경우도 있다. 은하단의 경우 지름만 수백만 광년인 거대한 집단이기 때문에 아무리 밀도가 낮아도 모으면 상당한 양이 된다. 과학자들은 이 희박하지만 질량이 큰 가스가 은하단의 진화는 물론 그 안에 있는 은하의 진화에도 큰 영향을 준다고 보고 있다. 나사의 고다드 우주 비행센터의 스티븐 워커(Stephen Walker)가 이끄는 연구팀은 나사의 찬드라 X선 위성을 이용해서 지구에서 2억4천만 광년 떨어진 페르세우스 은하단의 가스를 연구했다. 이 은하단은 소용돌이 모양의 거대한 은하단 내 가스 흐름이 발견되어 많은 연구가 이뤄진 은하단이다. 은하단 가스는 밀도는 매우 낮지만, 대신 온도는 대단히 높아 섭씨 3000만 도에 이른다. 이렇게 고온의 물체에서는 X선이 방출되기 때문에 X선 위성을 이용한 연구가 필요하다. 연구팀은 흥미롭게도 소용돌이 같은 중심부에서 외부로 빠른 속도로 이동하는 가스의 팽창을 발견했다. 이 가스의 지름은 200만 광년에 달하며 시간당 48만km라는 엄청난 속도로 이동 중이다. 흥미로운 사실은 이 가스가 3000만 도의 고온이지만, 8000만 도에 달하는 더 뜨겁고 밀도가 낮은 가스 속으로 파고들고 있다는 점이다. 이는 지구에서 볼 수 있는 한랭전선(cold front, 차가운 공기가 따뜻한 공기 아래로 파고드는 것)과 비슷해서 과학자들은 우주 한랭전선(cosmic cold front)이라는 별명을 붙였다. 이런 거대한 한랭전선이 발생한 이유는 다른 은하단이 페르세우스 은하단 중심부에 충돌한 것이 원인으로 생각되고 있다. 은하와 마찬가지로 은하단 역시 충돌과 합체를 반복하면서 성장하는데, 그때마다 거대한 가스의 흐름이 발생하는 것이다. 흥미로운 점은 이런 흐름이 우주적 크기의 자기장을 만든다는 것이다. 연구팀은 이 우주 한랭전선에 냉장고 붙이는 자석의 100만분의 1 수준의 자기장이 있는 것으로 보고 있다. 비록 강도는 약하지만, 매우 크기 때문에 그 에너지는 상당하며 가스의 형태와 속도에 영향을 미친다. 이번 연구를 통해 과학자들은 그 메커니즘을 더 상세히 파악했다. X선 천문학은 인간의 눈으로 볼 수 없는 영역에서 우주의 신비를 풀어왔다. 찬드라 X선 위성 사진을 보면 천체 사진이 아니라 현대 미술 작품 같은 사진 속에 우리가 미처 보지 못했던 우주의 비밀이 숨어 있음을 알 수 있다. 은하단의 생성과 진화를 예측하기 위해 앞으로도 X선 영역에서 활발한 연구가 진행될 것이다.　 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

영화 ‘인터스텔라’(2014)에는 광활한 우주에 덩그러니 '외롭게' 위치한 블랙홀의 모습이 등장하는데, 실제 우주에는 몇 개의 블랙홀이 존재할까? 지금까지 학계에서는 우리은하 중심에 거대한 블랙홀이 있으며, 이 주변에 거대 블랙홀과 서로 에너지를 주고받는 작은 블랙홀이 최소 수천 개 존재한다고 예상해왔다. 최근 이러한 가설을 입증하는 새로운 연구결과가 나왔다. 미국 뉴욕 컬럼비아대 연구진은 우리 은하계 중심에 있는 거대한 블랙홀인 궁수자리A* 주위에 작은 크기의 블랙홀 12개가 존재한다는 것을 확인했다. 일반적으로 블랙홀의 존재는 하나의 블랙홀이 다른 블랙홀 주위를 맴돌거나 빨려들어갈 때 충돌하면서 나오는 X선이나 중력파 등으로 확인한다. 즉 단 하나의 블랙홀만 있거나 두 블랙홀이 지나치게 거리가 먼 은하에 각각 존재한다면 관측이 어렵지만, 일단 블랙홀이 관측됐다면 이는 최소 2개 이상의 블랙홀이 존재한다는 것을 의미한다. 연구진은 이러한 에너지를 관측하기 위해 미국항공우주국(NASA)이 1999년 쏘아올린 인공위성인 찬드라 위성으로 블랙홀의 X선 신호를 찾아냈다. 그 결과 궁수자리 A* 주위 3광년 거리 내에서 블랙홀 12개가 있는 것을 확인했다. 연구진은 은하계 중심의 면적과 블랙홀의 분포를 면밀하게 분석했을 때, 궁수자리 A* 주위에는 적어도 1만 개의 블랙홀이 존재할 것으로 보인다고 밝혔다. 연구를 이끈 컬럼비아대 천문학실험실의 찰스 헤일리 교수는 “이번 연구는 그동안 우리 은하계에 매우 많은 블랙홀이 존재한다는 가설을 입증한 것”이라면서 “은하계 중심에 있는 블랙홀의 수를 알면, 블랙홀들이 서로 충돌, 합병할 때 만들어지며 시공간을 일그러뜨린다는 ‘중력파’ 현상에 대해 연구하는데 도움이 될 것”이라고 설명했다. 이어 “천체물리학자들이 필요로 하는 모든 정보는 은하의 중심에 있다”고 덧붙였다. 자세한 연구결과는 지난 4일 세계적인 학술지 ‘네이처’에 게재됐다. 송혜민 기자 huimin0217@seoul.co.kr

놀라운 인도 숫자의 위치 기수법 수를 표현하는 방법을 기수법이라 하는데, 현재 우리가 쓰고 있는 기수법은 인도에서 발원한 10진법의 인도-아라비아 숫자다. 사람의 손가락이 만약 6개였다면 6진법이 되었을 것이다. 근데 희한하게도 사람은 손가락도 발가락도 다 꼭 열 개다. 십진법은 이처럼 우리 몸에서 출발했다는 사실을 알 수 있다. 그런데 인도 기수법의 놀라운 점은 10진법 셈체계와 위치 기수법을 결합시킨 결과, 1~0에 이르는 열 개의 기호로 모든 수를 나타낼 수 있다는 점이다. 곧, 이 기수법은 숫자 기호가 쓰인 자리가 중요한 역할을 하는 것이다. 만약 위치 기수법을 쓰지 않으면 어떻게 될까? 수의 크기는 무한대이므로 단위가 올라갈 때마다 새 기호를 만들어야 한다. 한자(漢字)수를 생각해보면 금방 알 수 있다. 一, 十, 白, 千, 萬, 億... 이렇게 글자 수가 무한대로 가게 된다. 인도 숫자의 십진법과 위치 기수법의 조합은 단순하면서도 쉬운 계산을 가능하게 했고, 이를 받아들인 중세 유럽의 수학은 비약적인 발전을 이루었다. 그 전에는 복잡한 로마수 계산법으로 인해, 경리직에 취직하기 위해 단순한 곱셈과 나눗셈을 익히려고 해도 이탈리아로 유학을 해야 할 정도였다니, 10개의 기호로 이루어진 인도 숫자의 위력을 미루어 짐작할 만하다. 그런데 이 인도 기수법에 날개를 단 것이 바로 지수법(指數法)이다. 지수란 어떤 수나 문자의 오른쪽 어깨 위에 붙여 그 수나 문자의 거듭제곱을 나타내는 숫자나 문자를 말한다. 즉, 같은 수 ‘a를 n번 거듭 곱’한 것을 an으로 나타내고 ‘a의 거듭제곱’이라고 하는데, 이때 a 를 밑, n을 지수라고 한다. 북한에서는 지수를 ‘어깨수’라고 한다. 이 지수법을 이용하면 어마무시하게 큰 숫자나 작은 숫자도 간단하게 나타낼 수 있다. 예컨대, 지구에서 태양까지의 거리는 약 1,500,000,000,000m(1조 5천억m)인데, 지수를 이용해서 나타내면 1.5×1012m라고 간명하게 표현할 수 있다. 뿐더러 지수법으로 하면 계산도 아주 쉽고 간단하게 할 수 있다. 지수, 곧 거듭제곱의 위력을 보여주는 것으로 다음과 같은 예화가 많이 인용된다. 체스를 발명한 고대 인도의 발명가 ‘세타’라는 사람의 얘기다. 세타의 발명품인 체스에 푹 빠져 있던 인도의 왕자는 큰 상을 내리려고 세타에게 받고 싶은 것을 말해보라 했더니, ‘체스판 한 칸에 수수알 한 톨, 그 다음 칸에 수수알 두 톨, 그 다음 칸에는 수수알 네 톨, 이렇게 모든 칸에 앞의 칸보다 수수알을 두 배씩 얹어서 달라’는 것이다. 왕자가 쾌히 승락했음은 물론이다. 그런데 체스판의 칸은 모두 64개다. 그러니 마지막 칸에 놓일 수수알의 개수는 2^64 개가 되는 셈이다. 이게 얼마만한 숫자일까? 이걸 무게로 환산하면 2017년 세계 곡물 생산량 26억 톤의 150배에 달하는 4000억 톤에 이른다. 이것이 바로 거듭제곱의 위력이다. 우주를 모래알로 가득 채우려면 몇 개나... 그럼 이 거듭제곱의 위력을 가장 먼저 알고 그 개념을 활용한 사람은 누구일까? 문헌에 나타난 바에 의하면 고대 그리스의 아르키메데스(BC 287? ~ BC 212)인 것으로 보인다. 아르키메데스는 ‘모래알 계산자(The Sand Reckoner)’라는 자신의 책에 모래알로 우주를 가득 채우려면 몇 개나 있어야 하는가 하는 어마무마한 계산에 도전한 내력을 써놓았다. 아르키메데스는 대체 어떤 방법으로 그 엄청난 크기의 숫자를 다루는 계산을 해냈을까? 당시는 복잡한 기수법 때문에 단순한 곱하기 문제도 여간 어렵지 않아 일반인들은 풀 엄두를 내지 못하던 때였다. 그가 사용한 계산과정은 그의 위대성을 보여주는 것으로 다음과 같은 방법이었다. 먼저 그는 양귀비 씨앗 한 개의 크기에 해당하는 모래알의 수를 계산한 후, 다음에는 손가락 크기에 해당하는 양귀비 씨앗 개수를 어림잡아 구했다. 그리고 다음에는 육상 경기장 한 개를 가득 채우는 데 필요한 손가락 개수를 어림 계산하는 등과 같은 과정을 순차적으로 반복해나갔다. 이는 바로 지수 개념의 계산법이라 할 수 있다. 그의 위대한 지성은 기원전 3세기에 이미 지수 개념을 창안해냈던 것이다. 아르키메데스가 근대의 뉴턴, 가우스와 함께 3대 수학자로 꼽히는 것은 이러한 그의 천재성 때문이다. 아르키메데스는 당시에 알려져 있던 아리스타르코스의 태양중심설을 기준으로 우주의 크기를 정했다. 아리스타르코스가 지구와 별들 사이의 거리를 따로 밝히지 않았기 때문에 아르키메데스는 이를 대략적으로 추정할 수 밖에 없었다. 아르키메데스가 나름대로 추정한 우주의 크기는 약 2광년이었다. 이렇게 하여 아르키메데스가 구한 모래알 개수는 자그마치 8x10^63 개였다. 이는 지구상 모래알 개수인 10^22개보다 엄청 많은 숫자이다. 하지만 우주를 가득 채우기에는 턱도 없는 숫자임을 이제 우리는 안다. 현재의 팽창우주는 크기가 무려 940억 광년으로, 아르키메데스가 생각하던 것보다 비교가 안될 정도로 크기 때문이다. 참고로, 온 우주의 별 개수는 호주 천문학자에 의해 지구의 모래알 수의 10배인 대략 7x10^22개라는 계산서가 나와 있다. 제곱수의 위력을 눈으로 확인하려면 ‘10의 제곱수’ 라는 제목의 아래 동영상을 보면 실감할 수 있다. 1960년대에 처음 제작된 이 동영상은 현재 유튜브에서 공개되어 있다. 이 짧은 동영상은 미국 시카코 근교에서 피크닉을 즐기는 모습에서부터 거대한 처녀자리 은하단까지 10초마다 10배씩 확대되며, 처녀자리 은하단의 거대한 모습을 보여주고 나서는 반대로 2초마다 10배씩 축소되다가 마지막에는 양성자를 보여주며 끝난다. ​ 전 우주를 42번의 도약으로 관통해 가는 이 웅장한 여행은 우리에게 거듭제곱의 위력뿐 아니라, 사물들의 크기에 대해 놀라운 통찰을 선사해준다. 재생 버턴을 누르지 않으면 필히 후회할 만큼 그 어떤 논문보다도 더 많은 사실을 알려줄 것이다.　 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

인류가 살고있는 ‘우리은하’(Milky Way Galaxy)가 초당 500m로 점점 커져서 결국 안드로메다은하와 충돌할 것이라는 흥미로운 연구결과가 나왔다. 최근 스페인 카나리아 제도 천체물리학연구소(IAC) 측은 우리은하가 계속 커지고 있다는 내용의 논문을 영국 리버풀에서 열린 유럽천문학학회에서 발표했다. 지름이 10만 광년에 달하는 우리은하는 나선같은 형태를 하고 있어 나선은하로 분류되지만 그 중심에 별들로 구성된 막대모양의 구조가 있어 막대나선은하에 속한다. 이중 인류가 살고있는 태양계는 우리은하의 중심에서도 3만 광년이나 떨어진 나선팔 부근에 자리잡고 있다. 한마디로 인류는 우리은하의 중심에서도 한참이나 떨어진 ‘변두리’에 살고있는 셈이다. 이번 연구는 우리은하와 유사한 여러 은하를 관찰하고 이를 바탕으로 한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 이루어졌다. 우리은하의 가장자리 주변부에 가스와 먼지로 이루어진 은하 디스크(Galactic disc)가 존재하고, 그 속에서 수많은 별들이 탄생하면서 점점 덩치가 커지고 있다는 것이 연구팀의 설명이다. 연구를 이끈 크리스티나 마르티네즈-롬비야 박사는 "우리은하는 이미 매우 큰 존재지만 외곽에서도 별들이 탄생하면서 서서히 커지고 있다"면서 "초당 500m로 빠른 속도는 아니지만 30억 년 후면 지금보다 5%는 더 커져있을 것"이라고 전망했다. 흥미로운 점은 점점 커진 우리은하가 이웃한 안드로메다은하와 충돌할 것이라는 예측이다. 안드로메다는 '우리의 개념'이 모여들만큼 친숙한 은하지만 무려 250만 광년이나 떨어져있다. 그러나 맑은 날 밤하늘을 올려다보면 맨 눈으로도 뿌옇게 보일 만큼 우리에게 익숙하다. 최소 1억 개 부터 1조 개 까지 정확한 별의 숫자도 모를 만큼 연구할 것이 많은 안드로메다 역시 우리 곁으로 접근 중이다. 물론 두 은하의 충돌은 영겁의 세월이 지난 후로, 연구팀은 40억 년이 지난 후에야 두 은하가 충돌해 거대한 타원은하가 될 것으로 예측하고 있다. 천문학자들은 태어나지도 않은 이 은하에 이미 ‘밀코메다‘(Milkomeda)라는 이름을 만들어 놓았다. 박종익 기자 pji@seoul.co.kr

미 항공우주국(NASA)에서 운영하는 ‘오늘의 천체사진'(APOD) 13일(현지시간) 자에 완전한 원형 모습의 우리은하 사진이 발표돼 우주 마니아들의 관심을 끌고 있다. 우리는 우리은하의 모습을 항상 반 밖에 볼 수 없다. 북반부에서 보거나 남반부에서 봐야 하기 때문이다. 따라서 우리가 보는 은하는 항상 반원형일 뿐이다. 그런데 천체사진가의 열정으로 우리은하의 완전한 구형 모습을 사진으로나마 볼 수 있게 됐다. 이 사진 작가가 남-북반부에서 각각 찍은 사진을 한 장의 사진으로 합성해 우리은하의 전체 모습을 볼 수 있게 만든 것이다. 이 사진을 찍기 위해서는 두 번에 걸친 철저한 계획 아래 작업을 진행해야 한다. 사진의 윗부분은 2017년 7월 적도 북쪽에 있는 레바논의 밤하늘을 담은 것으로, 바로 머리 위에 우리은하의 중심부가 있는 광경을 찍은 것이다. 그리고 사진의 아래 절반은 그로부터 6개월이 지난 후 적도 남쪽에 위치한 정반대 위도의 칠레에서 촬영한 사진이다. 각각의 사진은 정확하게 반대 방향의 밤하늘 모습, 곧 우리은하 원반의 반반씩을 담은 것이다. 따라서 남쪽 절반의 사진은 위 아래가 뒤집혀져 있는 상황이다. 지상의 자동차와 모든 것들이 도립해 있는 모습에서 확인할 수 있다. 이는 한 장의 사진에 우리은하의 완전한 원형 모습 전체를 담아내기 위해 디지털로 이어붙인 결과다. 사진에는 무수히 많은 별과 성운들의 보이고, 완전히 이어진 둥근 우리은하의 안에는 대마젤란성운(은하)의 모습도 뚜렷이 보인다. 이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com　

은하 중심에는 거대한 크기의 블랙홀이 존재한다. 이 거대 질량 블랙홀은 물론 은하보다 질량이 작지만 그래도 태양 질량에서 수백만 배에서 수십억 배에 달하는 거대한 질량을 가진 것들이 많다. 그런 만큼 강력한 중력으로 주변 물질을 흡수해 은하 전체의 물질 분포에 영향을 준다. 과학자들은 이 은하 중심 블랙홀이 은하의 진화에 매우 큰 영향을 준다고 보고 있다. 하지만 이 은하 중심 블랙홀은 관측이 그렇게 간단하지 않다. 은하에서 가장 많은 가스와 별이 밀집된 공간에 있기 때문에 일반적인 광학 망원경으로는 그 구조를 파악하기 힘들다. 일본 국립 천문대의 과학자팀은 세계 최대의 전파 망원경인 ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)를 이용해서 활동 은하핵 (AGN) 가운데 하나인 M77 은하의 거대 질량 블랙홀을 관측했다. 일반적으로 아무것도 없는 검은 구멍처럼 생각되는 블랙홀이지만, 과학자들은 은하 중심 블랙홀 주변이 매우 복잡한 구조로 되어 있다는 점을 알고 있다. 이전 관측과 이론적 예측을 통해 블랙홀 주변에는 블랙홀로 흡수되는 거대한 물질의 원반인 강착 원반이 있고 그보다 더 먼 장소에는 매우 큰 도넛 모양의 가스가 있을 것으로 생각됐다. 하지만 이를 실제로 관측하기는 어려웠다. 연구팀은 시안화수소(HCN) 및 HCO+ 이온의 분포를 조사해 도넛 모양으로 생긴 구조물을 실제로 관측하는 데 성공했다. 위의 사진에서 사각형 안에 말발굽 모양의 지름 1400광년 정도 되는 구조물이 있고 그 안쪽에 지름 40광년에 달하는 원형 구조물이 포착된 것이다. 다만 ALMA의 강력한 성능으로도 중심부 구조는 다소 흐릿하게 관측된다. 이는 M77이 4,700만 광년 떨어진 은하이기 때문인데, 거리를 생각하면 놀라운 해상도라고 할 수 있다. SF영화에서는 단순하게 처리되는 것과 달리 과학자들은 블랙홀로 물질이 흡수되는 과정 역시 간단하지 않다고 보고 있다. 도넛 모양 구조물에서 더 안쪽의 강착 원반으로 물질이 이동하는 과정 역시 아직 밝혀지지 않은 부분이 많다. 아직도 많은 미스터리를 품고 있는 블랙홀에 대한 연구는 앞으로도 계속 진행될 것이다. 여기에는 우리 은하를 비롯한 은하 진화의 과정과 미래가 담겨 있기 때문이다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com

우리가 땅에 발을 붙이고 사는 이유는 지구가 중력으로 우리를 끌어당기고 있기 때문이다. 지구는 사람뿐 아니라 물 그리고 산소와 질소 같은 공기도 붙들고 있을 정도의 힘을 가지고 있다. 달은 공기를 붙들고 있기에는 힘이 약해서 공기가 희박하다. 이렇게 지구와 달의 끌어당기는 힘이 차이 나는 것은 중력 때문이다.중력이 가장 극단적으로 나타나는 천체는 ‘블랙홀’이다. 블랙홀은 끌어당기는 힘이 강력해 주변의 빛조차 끌고 들어간다. 지구가 쪼그라들어 블랙홀이 된다면 그 크기는 채 2㎝가 되지 않을 것이다. 태양의 경우에는 직경이 6m 정도인 블랙홀이 된다. 우주에는 아주 가벼운 블랙홀부터 태양보다 10억 배 무거운 블랙홀까지 다양한 질량의 블랙홀이 존재할 것으로 추측되고 있다. 블랙홀이 존재한다는 직접적인 증거를 찾는 연구들이 많이 이뤄졌는데 그중 가장 큰 성과는 지난해 노벨물리학상을 수상한 ‘중력파 검출’이다. 블랙홀은 빛도 끌고 들어가는 강력한 중력 때문에 직접 볼 수는 없기 때문에 블랙홀이 아니면 만들어 낼 수 없다고 인정할 수 있는 현상을 찾아내고 이를 확인하는 데에 초점이 맞춰지고 있다. 강력한 중력이 빠르게 변하면 관측할 수 있는 수준의 중력파가 발생한다. 중력파가 지나가면 시공간이 늘었다 줄었다 하는 변화가 생긴다. 모든 중력을 가진 물체가 중력파를 만들어 내지만 관측하기에는 매우 미약하다. 지난해 노벨물리학상은 한 쌍의 블랙홀이 아주 빠르게 서로 공전하며 다가가면서 만들어 낸 중력파가 정교하게 고안된 측정 장치의 길이를 변화시킨 것을 확인하는 방법으로 블랙홀의 존재를 입증한 업적을 인정한 것이다. 직접 블랙홀을 보려는 노력도 진행 중이다. 블랙홀이 주변 물질을 끌어당기면 그 과정에서 토성의 띠 형태를 띤 원반이 생기고 그 원반은 빠르게 회전하며 마찰에 의해서 밝게 빛나게 된다. 태양보다 100만 배 정도 무거운 우리은하 중심의 거대한 블랙홀은 3만 광년 떨어진 지구에서도 관측할 수 있는 크기의 원반과 블랙홀에 의한 ‘그림자’를 만들 것으로 예측돼 이를 관측하고자 하는 것이다. 그런 블랙홀 주변에서는 영화 ‘인터스텔라’에서처럼 강한 중력과 원반의 빠른 속도 때문에 발생하는 오묘한 빛의 향연도 목격될 것으로 기대된다. 블랙홀은 주변의 물질을 끌어당길 뿐 아니라 강력하게 에너지를 내뿜기도 한다. 거대한 블랙홀이 내뿜는 막대한 에너지가 은하와 별과 행성의 생성에 어떠한 영향을 끼쳤는지는 중요한 연구 주제이다. 우리에게서 멀리 떨어져 있는 거대한 블랙홀의 중력이 어쩌면 지구의 존재, 생명의 탄생과도 관련이 있을 수 있다고 생각하면 블랙홀에 대한 연구는 더 흥미로워진다.

대부분의 은하 중심에는 거대 질량 블랙홀이 존재한다. 우리 은하 중심에도 태양 질량의 400만 배에 달하는 거대 질량 블랙홀이 존재한다. 이런 거대 질량 블랙홀은 강력한 중력으로 별이라도 삼킬 수 있다. 우리 은하 중심 블랙홀은 비교적 점잖은 신사로 별을 흡수하는 경우는 비교적 드물지만, 넓은 우주에는 폭식하는 블랙홀도 있다. 과학자들은 1년에 별 하나 정도의 속도로 별을 삼키는 블랙홀도 관측했다. 1년에 별 한 개는 은하에 있는 별의 숫자를 생각하면 매우 작게 느껴지지만, 은하의 나이가 매우 많다는 점을 잊으면 안 된다. 100억 년 된 은하라면 100억 개의 별이 사라졌다는 이야기이기 때문이다. 아무리 블랙홀의 중력이 강해도 이런 속도면 블랙홀 주변에는 수백 만년 이내로 별이 하나도 남지 않게 될 것이다. 따라서 이들은 매우 미스터리한 존재였다. 미국 콜로라도 대학의 연구팀은 가스가 풍부한 은하의 충돌에서 이 미스터리를 풀 단서를 찾았다. 두 개의 은하가 충돌하면 이로 인해 새로운 별이 다수 생성될 뿐 아니라 본래 있던 별의 궤도 역시 크게 변하게 된다. 별이 모인 집단인 성단 가운데는 새로 형성된 은하 중심부를 향해 마치 혜성 같은 긴 타원궤도를 도는 것이 생긴다. 문제는 그렇게 되면 블랙홀에 너무 가까운 궤도를 돌게 된다는 것이다. 이렇게 블랙홀 근처로 다가간 별이 여럿인 경우 결국 중력의 영향으로 궤도가 불안정해져 일부는 블랙홀로 흡수되는 것으로 보인다. 거대 질량 블랙홀은 별을 흡수하는 과정에서 더 많은 에너지와 제트를 방출해 과학자들은 그 빈도를 계산할 수 있다. 물론 시간이 지나 안정화된 은하는 별의 궤도 역시 안정적이기 때문에 블랙홀로 흡수되는 별의 숫자는 급격히 줄어들게 된다. 은하 중심 블랙홀은 지구에서 수만 광년 떨어져 있지만, 사실 우리 태양계를 포함한 은하 전체에 적지 않은 영향을 미친다. 따라서 거대 질량 블랙홀의 진화와 활동을 관측하는 것은 은하의 진화와 활동을 관측하는 것과 마찬가지다. 은하 간 충돌은 먼 우주의 이야기가 아니라 사실 우리에게 닥칠 미래이기도 하다. 우리 은하 역시 안드로메다은하와 가까워지고 있어 미래에는 충돌할 가능성이 크기 때문이다. 비록 수십 억 년 후의 일이지만, 그때는 수많은 별이 블랙홀로 흡수되어 사라질지도 모른다. 지금 우리가 보는 충돌 은하는 사실 우리의 먼 미래인 셈이다. 고든 정 칼럼니스트 jjy0501@naver.com　

우리가 살고있는 우리 은하와 닮은 은하의 환상적인 모습이 사진으로 공개됐다. 지난 3일(현지시간) 미 항공우주국(NASA)은 허블우주망원경으로 촬영한 'NGC 7331'의 모습을 공개했다. 지구에서 페가수스 자리 방향으로 약 4500만 광년 떨어진 곳에 위치한 NGC 7331은 우리 은하와 같은 나선은하다. 은하의 크기와 구조도 우리 은하와 비슷해 '쌍둥이 은하'로 불릴 정도. 마치 '은하쇼'를 벌이는듯 환하게 빛나는 나선팔이 우주를 아름답게 비추는데 특히 노란색으로 보이는 그 중심 인근에는 초신성이 자리잡고 있다. 이 초신성의 이름은 'SN 2014C'. 초신성(超新星)이란 항성 진화의 마지막 단계에 이른 별이 폭발하면서 생긴 엄청난 에너지를 순간적으로 방출하는 것으로, 그 밝기가 평소의 수억 배에 이르렀다가 서서히 낮아진다. 초신성 SN 2014C는 특히나 이제까지 본 적 없는 독특한 특징을 갖고있다. 초신성은 수소가 거의 없는 Type I이 가장 흔하고 수소가 풍부한 Type II는 드물다. 그러나 SN 2014C는 Type I에서 Type II로 1년 만에 변했다. 과학자들이 그 원인을 알아내기 위해 노력하고 있으나 현재까지 확실한 답을 알아내지 못했다. 사진=ESA/Hubble & NASA/D. Milisavljevic (Purdue University)　 박종익 기자 pji@seoul.co.kr

138억 년의 우주 역사를 가장 자세히 재현한 컴퓨터 시뮬레이션 영상을 국제 연구팀이 1일(현지시간) 영국 왕립천문학회 월간보고(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)에 공개했다. ‘일루스트리스: 더 넥스트 제네레이션’(IllustrisTNG·Illustris: The Next Generation)으로 명명된 이번 영상은 우주의 형성 과정을 그 어느 것보다 자세히 보여준다. 연구팀은 “이번 영상은 130억 년이 넘는 시간 동안 우주에 은하가 어떻게 형성·진화·성장하고 새로운 별의 탄생을 유도하는지 알 수 있게 해준다”고 설명했다. 이미 연구팀은 이번 시뮬레이션 모델로 블랙홀이 암흑물질의 분포에 어떻게 영향을 주는지, 중원소들이 어떻게 만들어져 분포하는지, 그리고 자기장이 어디에서 비롯되는지 살피고 있다. 연구팀의 샤이 제넬 박사(미국 플랫아이언연구소 전산천체물리학센터)는 “천체 망원경 한 대로는 은하들을 일정량밖에 측정할 수 없지만, 이번 시뮬레이션은 모든 은하의 특성을 추적할 수 있고 현재 모습뿐만 아니라 모든 형성 과정도 살필 수 있다”고 말했다. 이들은 ‘빅뱅’으로 불리는 대폭발 이후 우주 전체로 균일하게 확산해나간 빛 즉 우주배경복사에서 수집한 우주 초장기에 관한 증거를 이용해 이번 시뮬레이션을 제작했다. 이를 통해 우주가 탄생한 지 불과 몇십억 년밖에 안 됐을 때의 조건을 모델링했다. 가상의 우주 공간에 별과 행성 형성에 관여하는 바리온 물질과 은하 구조에 관여하는 암흑물질, 그리고 우주의 가속팽창과 관련한 암흑에너지를 더했다. 그리고 초신성 폭발과 블랙홀에 관한 정보도 추가했다. 또 다른 연구원인 폴커 스프링겔 박사(독일 하이델베르크 이론연구소)는 “이번 모델은 대규모 물질 분포에서 거대질량 블랙홀의 영향을 정확히 예측할 수 있어 특히 매력적”이라면서 “앞으로 나올 관측 연구를 신뢰성 있게 해석하는 데 결정적인 역할을 할 것”이라고 말했다. 연구를 주도한 마크 보겔스버거 박사(미국 매사추세츠공과대)는 이번 시뮬레이션으로 뜨겁고 묽은 가스의 난류 운동이 은하 중심의 자기장을 기하급수적으로 증폭할 수 있는 소규모 자기 발전기를 유도하는 것을 보여줬고 관찰된 자기장의 세기도 정확히 예측했다. 그는 “이번 모델은 정교한 은하 형성 모델과의 결합을 통해 어떤 기존 시뮬레이션보다 자세히 이런 자기장 문제를 탐구하도록 해준다”고 말했다. 시뮬레이션 속 우주는 현재 우리가 관측 가능한 우주인 약 930억 광년의 거리와 비교하면 10억 광년에 불과하다. 하지만 4년 전 제작한 초기 모델 속 우주는 약 3억5000만 광년으로 훨씬 더 작았다. 연구에 참여한 안날리사 필레피치 연구원(막스플랑크 천문학연구소)은 “우리의 예측 모델은 이제 천문학자들에 의해 체계적으로 확인될 수 있다”면서 “이는 계층적 은하 형성이라는 이론적 모델의 결정적인 검사를 이끌어낼 것”이라고 말했다. 사진=IllustrisTNG 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr