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   Ⅶ우리은하와 성간물질
  은하는 우주를 구성하는 가장 기본적인 천체로서 우리에 존재하는 수많은 은하 가운데 하나가 우리 은하이다. 영어로는 첫글자를 대문자로 Galaxy라고 쓰며 galaxy는 일반적인 외부 은하를 나타낸다. 태양은 우리 은하의 중심에서 약 8.5kpc 정도 떨어져 있으며 초속 220 km의 속도로 회전하고 있다.
 
우리 은하의 구성 성분
  우리 은하를 구성하는 주요 성분으로는 별, 성간 물질, 그리고 암흑 물질을 들 수 있다. 성간 물질은 기체와 먼지로 나누어지며 먼지는 전체 성간 물질 질량의 0.6%정도를 차지하고 있어 그 양은 매우 적지만 관측에 미치는 영향은 매우 크다. 암흑 물질은 그 정체를 직접 관측할 수는 없지만, 중력 효과에 의해 존재 여부가 알려진 물질이다. 우리 은하 전체 질량 가운데 암흑 물질이 차지하는 정도는 90% 내외로 추정되어 대부분의 질량이 암흑 물질 형태로 존재하고 있음을 알 수 있다. 그 밖에도 물질은 아니지만 자기장이 우리 은하에 존재하고 있어 기체의 역학에 영향을 준다. 또 매우 빠른 속도로 움직이는 우주선(cosmic ray) 역시 성간 물질의 균형을 결정하는 중요한 요소이다.
 
성간 물질과 성간 구름
  성간 물질은 공간에 균일하게 분포하는 것이 아니고 대개 성간 구름(또는 성간운)이라 불리는 구름 덩어리 속에 존재한다. 성간 구름에는 여러 종류가 있으며 밀도가 높고 질량과 크기가 매우 큰 거대 분자 구름이 있는 반면 밀도와 질량이 상대적으로 작은 구름도 있다. 성간 구름이 차지하는 부피는 우리 은하 전체 부피의 몇%에 불과하고 나머지 공간은 밀도는 낮으나 온도가 아주 높은 희박한 가스로 채워져 있다. 밀도가 높은 성간 구름 속에서는 별이 만들어진다고 믿어지고 있고 실제 별 탄생 활동이 직접 관측되는 구름도 많이 있다.
 
성간 구름의 관측
  가스는 가시광선 영역에서는 빛을 거의 흡수하지 않기 때문에 그 존재를 알기 어렵다. 우주에 가장 흔한 원소인 수소는 중성 상태에서 21cm 파장을 갖는 전파를 방출한다. 따라서 전파 망원경의 발달을 통해 성간 가스의 존재가 알려지기 시작했다. 또 성간 구름에는 수소 분자, 일산화탄소, 수증기 등의 분자들이 많이 들어 있다. 대부분의 분자들 역시 전파 영역에서 방출선을 내기 때문에 전파 망원경을 이용해 관측한다. 방출선의 관측으로부터 성간 구름의 운동, 온도, 밀도 등을 측정할 수 있다. 그러나 가장 흔한 수소 분자는 전파 방출선을 내지 않기 때문에 직접적인 관측이 어렵다. 최근에는 적외선 영역에서 나타나는 수소 분자 방출선이나 흡수선을 관측하고 있다.
 
성간 티끌
  성간 티끌은 전체 성간물질 가운데 아주 적은 양을 차지하고 있지만 별빛을 흡수하거나 산란시키는 역할을 한다. 성간 티끌은 크게 규산염 화합물과 탄소로 이루어진 것으로 알려져 있으며 은하내에 존재하는 일부 무거운 원소, 즉 칼슘, 알루미늄, 실리콘 등은 대부분 티끌 속에 잡혀있어 있어 성간 기체에는 거의 남아 있지 않다. 성간 티끌의 크기는 대략 0.1 마이크론 이하이며 파장이 짧은 빛일수록 더 잘 흡수하기 때문에 성간 티끌이 포함된 구름을 통과한 빛은 붉은색으로 변한다. 이런 현상을 성간 적색화라 부른다. 성간 적색화 때문에 티끌의 존재는 기체보다 훨씬 먼저 알려졌다. 티끌은 만기형 별의 표면에서 나오는 항성풍이나 초신성 폭발 때 나오는 물질에서 만들어진다고 생각된다.
 
은하내 별과 성간 물질의 분포
  우리 은하는 나선 은하로서 대부분의 별과 성간 구름은 두께가 매우 얇은 원반에 위치한다. 별 가운데서도 나이가 아주 어린 조기형 별들은 성간 물질과 함께 분포하는 두께가 특히 얇다. 반면 나이가 아주 오래된 별들이 이루는 원반의 두께는 훨씬 두껍다. 별들 가운데는 수많은 별의 집단인 성단에 속하는 것이 많이 있다. 우리 은하에 존재하는 성단은 크게 구상 성단, 산개성단, 그리고 성협으로 나눈다. 구상성단은 수십만 개 이상의 별로 이루어진 공모양의 집단으로 나이가 백억 년 이상이다. 구상성단은 우리 은하의 원반에 국한되어 있지 않고 공 모양의 은하 전체에 골고루 분포한다. 20세기 초반 미국의 천문학자인 샤플리 (Harlow Shapley)는 천구상에서의 구상 성단 분포가 궁수자리 방향으로 쏠려 있는 것을 보고 태양이 우리 은하의 중심부에서 멀리 떨어져 있다는 사실을 처음으로 알아냈다. 반면 산개 성단은 구상성단보다 적은 수의 별들로 이루어져 있고 모양도 비교적 불규칙하며, 주로 은하 원반에 위치한다. 산개 성단의 나이는 구상 성단보다 훨씬 어리며 수천만 년에서 수십억 년 정도이다. 성협은 매우 나이가 어린 별로 이루어진 비교적 규모가 작은 별의 집단으로서 역시 은하 평면에 분포한다. 성협은 별이 태어난지 얼마 되지 않았기 때문에 별탄생 영역에서 주로 찾을 수 있다. 은하 중심부에는 주로 나이가 많은 별로 이루어진 중앙 팽대부(nuclear bulge)를 가지고 있다.
 
은하 중심부
  우리 은하는 중심부 방향으로는 많은 가스와 먼지가 있어 가시광선으로는 관측하기 매우 어렵다. 전파 망원경을 이용해 가스의 분포를 측정함으로써 결과 은하 중심을 둘러싸고 분자 구름이 존재하는 것을 알 수 있다. 또 은하 중심부에서 아주 가까이 있는 가스와 별의 운동을 통해 태양 질량의 2백만 배 이상 되는 무거운 블랙홀이 존재하고 있다는 것이 알려졌다. 이러한 은하 중심부 블랙홀은 우리 은하 뿐 아니라 외부 은하에서도 많이 발견된다. 은하 중심부 거대 질량 블랙홀은 활동성 은하나 퀘이자에서 강력한 에너지를 내는 원인으로 생각된다.
 
별의 죽음과 탄생
  별들은 유한한 수명을 가지고 있다. 우리 은하에 존재하는 별은 나이가 매우 다양하다. 이는 별 탄생이 계속 진행되어 왔음을 말해준다. 실제로 질량이 큰 성간 구름 가운데는 별이 현재 만들어지고 있는 곳이 많이 있다. 반면 어떤 별은 수명을 마치고 진화의 마지막 단계에 접어들고 있다. 질량이 큰 별은 초신성 폭발을 일으키면서 진화를 끝낸다. 우리 은하에는 초신성이 폭발하고 퍼져 나간 가스인 초신성 잔해가 여러 개 존재한다. 이렇게 별은 성간 구름이 수축해서 만들어지고 진화를 마친 후에는 대부분의 질량을 다시 성간물질로 되돌려 보낸다. 우리 은하는 이러한 별과 가스의 순환이 이루어지는 일종의 생태계인 셈이다.
 
문제
  1. 우리 은하 원반에 존재하는 별이나 가스는 대개 은하 중심에 대해 회전하고 있다. 중심으로부터 거리와 회전 속도 사이의 관계를 그린 그래프를 회전 곡선이라 부른다. 우리 은하의 회전 곡선이 어떤 모습을 하고 있는지, 그리고 이러한 회전 곡선이 의미하는 바는 무엇인가?
2. 성간 티끌에 의한 빛의 흡수 정도는 대략 1kpc마다 1등급 정도라고 한다. 이러한 성간 흡수는 별의 거리를 실제보다 더 멀게 보이게 한다. 분광형을 통해 절대 등급을 알고 있는 별이 1 kpc 떨어져 있다면 관측적으로는 얼마의 거리에 있는 것으로 보이겠는가?
3. 우리 은하가 많은 양의 암흑 물질을 가지고 있다는 증거는 무엇인가?
4. 구상 성단의 분포로부터 우리 태양이 우리 은하 중심에 놓여 있지 않다는 사실을 어떻게 알 수 있을까?
5. 은하수의 관측으로부터 궁수자리가 은하 중심부라는 것은 어떻게 알 수 있을까?
6. 우리 은하의 나이는 어떻게 알 수 있을까?
7. 허셸은 하늘에 있는 별의 분포를 이용해 태양이 우리 은하의 중심에 있다는 결론을 얻었더. 왜 이러한 오류가 발생했을까?
8. 우리 은하의 질량을 측정할 수 있는 방법에는 어떠한 것이 있을까?
9. 우리 은하의 별 가운데 질량이 작은 것들은 중원소 함량이 작은 반면 질량이 큰 것들은 중원소 함량이 크다. 왜 그런지 설명해 보자.
10. 블랙홀이 많은 에너지를 방출할 수 있는 이유는 무엇일까?
11. 우리 은하에서 나선 팔이 존재하는지 어떻게 알 수 있을까?
12. 지구의 탈출 속도는 초속 11km 정도이다. 탈출 속도로 운동하는 로켓을 타고 은하 중심부까지 가려면 얼마의 시간이 필요할까?
13. 우리 은하에는 약 1 pc3당 하나 정도의 별이 있고 별 사이의 상대 속도는 초속 30 km 정도라 한다. 우리 은하에서 별 하나가 다른 별과 충돌하려면 얼마의 시간이 필요한지 추정해 보자.
14. 성간 구름의 반지름을 10 pc이라 하고 질량은 약 10,000배의 태양 질량이라고 한다. 이 성간 구름이 수축하는데 얼마나 걸리는지 추정해 보자. 이 구름의 압력은 거의 없다고 가정하자.
15. 성간 가스와 티끌이 서로 잘 섞여 있는지 알고 싶으면 어떤 관측이 필요한지 생각해 보자.
16. 구상 성단과 산개 성단의 차이점은 무엇인지 나열해 보자.
17. 태양의 나이는 약 46억년이다. 태양이 만들어진 후 은하 중심을 몇 번 돌았는지 추정해 보자.
18. 은하 중심부에서 블랙홀의 존재 여부를 밝힐 수 있는 관측에는 어떠한 것이 있을까?
19. 우리 은하의 대략적인 모습을 그려보자.
20. 대개 나이가 어린 별은 은하의 나선 팔에 존재하는 반면 나이가 많은 별은 나선팔에 특별히 집중되어 있지 않다. 이 사실이 의미하는 바는 무엇인가?