우리가 현재까지 볼 수 있는 우주는 그 거리가 약 140억 광년에 이르고 있다. 하지만, 그것도 우주의 전체는 아닐 것이라고 추측하고 있다. 140억 광년에 이르는 거리 안에서도 우리 우주는 다양한 구조를 갖고 있다. 규모가 작은 순서로 은하군, 은하단, 초은하단, 대규모 구조 등이 있다. 은하군과 은하단들도 무리를 지어 초은하단을 이루고 있으며, 초은하단 이상 큰 규모의 천체를 우주의 거대 구조 (large scale structure of the universe) 라고 부른다.
이러한 우주의 거대 구조는 은하들의 3차원 공간 분포를 연구하기 시작한 1980년대에 그 존재가 알려졌는데, 은하들의 3차원 공간분포는 은하들의 적색편이를 관측하여 알아낼 수 있다. 이런 프로젝트는 하버드 대학 CfA(Center for Astrophysics)의 적색편이 관측을 그 시작으로 들 수 있다.
그들은 북반구 하늘을 관측 하였는데 거대 장벽(Great Wall), 보이드(Void), 거대 인력체(Great Attractor)등 거대 구조의 존재를 알아내었다. 현재는 약 250만개의 은하의 적색편이 관측을 목표로 하고 있는 SDSS(Sloan Digital Sky Survey) 가 진행되고 있다. UK 슈미트 망원경이 관측한 185개의 사진건판에서 약 200 만개의 은하, 1000 만개의 별 등을 찾는 일도 진행 중이다. 이 연구는 캐임브리지의 APM (Automated Plate Measuring) 레이저 스캐너로 자료를 구축하고 있다
우리가 관측한 우주의 구조 중에서 가장 큰 규모의 것은 '거대한 벽'(Great Wall)이라고 불리는 것인데, 이것은 은하들이 거대한 벽 모양 속에 모여 있는 것을 말한다. 즉, 우주에는 거대한 비누거품 모양의 구조들이 수없이 겹쳐있는데, 그 비누거품 모양의 구조들이 겹쳐진 면에 은하들이 모여 있고, 그 겹쳐진 면에 해당하는 곳을 거대한 벽이라고 부른다. 거대한 벽의 길이는 약 5억 광년 정도이고 높이는 약 2억 광년, 그리고 두께는 약 1천5백만 광년 정도가 된다. 이 거대한 벽은 우리은하에서 약 2천5백만 광년 떨어진 곳에 위치하고 있는데, 그 질량은 태양질량의 2×1016배 정도인 것으로 추정된다. 한편, 비눗방울의 한가운데는 물질이 거의 없는 빈 공간 인데, 그 곳을 보이드(Voids)라고 한다. [출처: 한국천문연구원]
가운데를 지나는 수평선에 은하가 존재하지 않는 이유는 우리 은하 원반에 존재하는 먼지가 관측을 방해하기 때문이다.
은하들이 거미줄처럼 배치되어 있는 것을 볼 수 있는데 이것이 바로 우주 거대 구조이다.
우주에 가득하지만 미스터리한 ‘암흑 물질’ / 암흑물질 발견 20년 논란 해결 (IBS 양양지하실험실 ‘코사인-100’ 국제공동연구)
우주를 구성하는 물질 가운데 우리 눈에 보이는 물질들은 5% 정도에 지나지 않는다고 한다. 나머지는 눈에 보이지 않는 암흑에너지(dark energy)가 약 68%, 암흑물질(dark matter)이 27% 정도를 차지하고 있는 것으로 알려진다. 암흑물질에 ‘암흑’ 글자가 붙은 것은 빛을 발하지 않을 뿐더러, 전파 · 적외선 · 가시광선 · 자외선 · X선 · 감마선 등과 같은 전자기파로도 관측되지 않기 때문이다. 이 오리무중의 물질은 오로지 중력을 통해서만 존재가 인식된다.
외계 중성미자 발원지 찾았다 - 40억 광년 떨어진 오리온자리 가까운 블래자(blazar)에서...
은하(銀河)는 항성, 밀집성, 성간 물질, 암흑 물질 등이 중력에 의해 묶여져서 이루는 거대한 천체들의 무리이다. 은하를 뜻하는 용어 "갤럭시(galaxy)"는 은하수를 의미하는 그리스어 단어 "갈락시아스"(γαλαξίας)에서 유래했다. 은하들은 작은 것들은 1천만(107) 개 이하의 항성으로 이루어져 있고, 큰 것들은 100조(1014)여 개의 항성들을 가지고 있는데, 이 항성들은 모두 은하의 질량중심 주위를 공전하고 있다. 태양도 지구를 비롯한 태양계 천체들을 거느리고 다른 항성들과 마찬가지로 은하 주위를 공전하고있다.
은하 안에는 수많은 항성계, 성단, 성간운들이 있으며, 이 사이의 공간은 가스, 먼지, 우주선(cosmic-ray)들로 이루어진 성간물질들로 채워져 있다. 우리가 아직 정확히 그 본질을 이해하지 못하고 있어 암흑물질이라고 불리는 물질이 일반적으로 은하 질량의 약 90%를 차지하고 있다고 여겨진다. 한편 많은 관측 결과들에 따르면, 많은 은하들의 중심에 초대질량 블랙홀이 존재한다고 여겨진다. 이 초대질량 블랙홀은 일부 은하들의 핵에서 발견되는 활동은하핵(은하의 중심영역에서 매우 압축된 지역)의 주된 원인으로 지목되고 있다. 우리 은하 역시 그 중심에 이러한 매우 무거운 블랙홀을 품고 있는 것으로 보인다.
은하의 형성
현재 널리 받아들여지고 있는 대폭발(빅뱅) 이론에 따르면, 빅뱅 이후 약 30만년 후의 우주의 재결합시기(recombination)에 수소와 헬륨이 만들어지기 시작했다. 이 때는 거의 모든 수소들이 이온화되지 않은 중성 상태에 있었고, 별들이 아직 만들어지지 않았기 때문에, 이 시기를 우주의 "암흑 시대"(Dark Ages)라고 부른다. 이러한 원시우주에 있었던 암흑물질의 밀도 요동으로부터 서서히 우주의 거대 구조가 나타나기 시작했다. 바리온 물질들이 이러한 암흑 물질 헤일로로 모이면서 은하가 만들어지기 시작했고, 이러한 초기 은하가 현재 우리가 알고 있는 은하로 진화했다.
이들 항성계들은 서로간의 중력끈을 이용.. 은하핵을 중심으로 속박되어 있다.
여러 은하들의 모습
은하군 (Galaxy group, Group of galaxies)
은하군(또는 GrG)은 서로의 중력에 의해 속박된 50개 미만의 은하들로 구성된 무리이다. 일차적으로 무리를 이룬, 은하군보다 더 큰 은하무리를 은하단이라고 부른다. 은하군 및 은하단은 서로 모여 초은하단을 구성한다. 우리은하는 국부은하군이라 불리는 은하군의 일부이다.
우리 은하가 속해있는 국부은하군은 직경 약 500만광년의 크기로 20여개의 은하를 포함하고 있다..
서로 중력에 의해 속박된 수백 개에서 수천 개의 은하들로 구성된 구조이다. 이들은 우주에서 가장 큰 중력속박 천체로 알려져 있고 초은하단이 발견되기 전인 1980년대까지 우주에서 가장 거대한 것으로 알려졌던 구조이다. 은하단의 중요한 특징 중 하나는 은하단내부물질(ICM)이다. ICM은 은하 사이에 분포하며 대략 7~9 KeV의 온도로 가열된 가스로 구성되어 있다.
은하단은 산개성단과 같은 성단과는 혼동되지 말아야 한다. 성단은 은하의 내부에 있는 별들의 구조로, 심지어 일반적으로 은하를 공전하는 구상성단도 그렇다. 보다 작은 은하들의 무리는 은하단 보다는 은하군으로 불린다. 은하군 및 은하단은 서로 모여 초은하단을 구성한다.
(사진은 처녀자리 방향으로 6200만광년 떨어져 있는 처녀자리 은하단의 모습 - 우리 은하가 속한 국부은하군은 처녀자리 은하단의 끝자락에 있다)
중앙이 우리은하가 속한 처녀자리 초은하단
초은하단은 은하단 및 은하군으로 이루어진 대규모 무리로 우주에서 가장 거대한 구조 중 하나이다. 우리 은하는 국부 은하군에, 그를 포함하는 라니아케아 초은하단에 포함되어 있다. 국부 은하군은 폭이 1,000만 광년이지만, 라니아케아 초은하단은 폭이 5억 광년 이상이다. 관측 가능한 우주에서의 초은하단의 수는 1,000만 개로 추정된다.
은하는 무작위적으로 흩어지는 대신에 은하단이 되는 방향으로 무리를 짓는다. 그러한 은하단은 또 서로 무리지어 초은하단을 형성한다. 일반적으로 초은하단은 약 1억 5천만 광년 이내의 영역에서 수십 개의 개별적인 은하단을 가진다. 은하단과는 달리, 초은하단은 서로 중력에 의해 결집되어 있지 않다. 따라서 초은하단에 포함되더라도, 은하단들은 허블 흐름으로 인해 서로 멀어지는 방향으로 움직이고 있다.
우리은하는 부족 및 불규칙 은하단인 국부 은하군에 위치한다. 부유 은하단(rich cluster)이 수백 개에서 수천 개의 은하를 포함하고 있는데 비해, 부족 은하단(poor cluster)은 단 수십 개 정도의 은하를 포함한다. 국부 은하군은 직경 1억 광년의 국부 초은하단(처녀자리 초은하단) 근처에 있다.
국부 초은하단 총질량은 태양의 약 1,000조 배에 해당한다.
국부(근방의) 우주에서 가장 거대한 은하단은 거대인력체라고 불린다. 거대인력체의 중력은 아주 강하기 때문에 우리은하가 포함된 국부 초은하단이 초당 수백 킬로미터의 속도로 거대인력체 방향으로 이동하고 있다. 국부 우주의 외곽에서 가장 거대한 초은하단은 페르세우스자리-페가수스자리 필라멘트이다. 이 필라멘트는 페르세우스자리 초은하단을 포함하며 크기가 약 10억 광년이다. 이는 현재 우리가 알고 있는 것 중 우주에서 가장 거대한 구조로, 뉴멕시코 주립대학의 데이비드 베이터스키(David Batuski)와 잭 번스(Jack Burns)에 의해 발견되었다.
은하단들이 나무 줄기처럼 이어진 구조 - 실질적으로 우주에서 가장 큰 구조로 알려진 초은하단의 모습이다. 우리 은하가 속한 국부초은하단의 중심 지름은 약 6천만광년으로 약 10만개의 은하를 포함하고 있다. 줄기 하나 하나의 길이가 3억광년에 달할 정도로 엄청난 크기의 구조이다. 국부초은하단은 라니아케아 초은하단(Laniakea Supercluster)이라고도 불린다.. (빨간점은 우리 은하의 대략적인 위치)
거대 인력체(巨大引力體, Great attractor)는 라니아케아 초은하단 중심에 위치해 있으며, 라니아케아 초은하단(구 바다뱀자리-센타우루스자리 초은하단) 부근의 은하간 공간에서의 중력 이상이다. 이는 우리 은하보다 수만 배 이상의 질량이 집중되어 있는 영역의 존재를 드러낸다. 거대 인력체의 질량은 은하 및 그와 연관된 수백만 광년 규모의 은하단의 운동 효과를 통해 측정할 수 있다.
1987년.. 미국의 천문학자 A.드슬레러를 비롯한 학자들은 우리 은하를 비롯한 주변의 은하들이 초속 1000km의 속도로 어떤 특정 방향으로 끌려가고 있다는 사실을 알게 되었다. 은하들이 끌려가던 방향은 센타우루스 초은하단 방향.. 우리 은하로부터 2억~3억광년 떨어진 지점이었다.
학자들은 이 지점에 그동안 인류가 알지 못했던 거대한 중력을 가진 어떤 천체가 있을것이라 추정했고.. 그것을 거대인력체라 명명했다. (우측 사진은 허블망원경이 찍은 거대인력체 방향)
몇몇 학자는 거대인력체의 정체가 센타우루스 초은하단이라고 주장 했지만 라니아케아 초은하단 보다 작은 센타우루스 초은하단의 질량만으로 우리 은하와 주변 은하들이 끌려 간다는 사실은 상식적으로 설명할수 없었다. 공교롭게도 거대인력체가 있을것으로 추정되는 지점은 우리 은하의 중심핵에 가려져 있는 방향이었기 때문에 기본적인 관측 조차 불가능 했다. (은하 중심쪽은 수많은 항성들의 밝은 빛 때문에 관측이 어렵다)
샤플리(Shapley) 초은하단
그러나 2005년 라니아케아 지도를 제작중이던.. 하와이대 브랜트 툴리 박사는 우연한 기회에 거대인력체에 대한 충격적인 진실을 알게 된다. 거대인력체는 우리 은하를 비롯한 주변 은하뿐만 아니라 라니아케아.. 즉, 우리가 속한 국부초은하단 전체를 끌어 당기고 있던 것이었다. 그 거대인력체의 정체는 라니아케아 초은하단의 옆에 있는 더 거대한 구조인 샤플리(Shapley) 초은하단일 가능성이 높다.
브랜트 툴리 박사는 샤플리 초은하단에 관해 알려진 정보는 거의 없지만 은하의 흐름은 계곡에서 흐르는 물의 흐름과 같고
중력적으로 깊이 팬 시공간으로 은하들이 물처럼 흘러들고 있는 현상이라 비유했다.
" 우리(라니아케아 초은하단)는 훨씬 큰 무언가(샤플리 초은하단)의 일부일지도 모른다.. " 브랜트 툴리
[출처: 거대인력체 :: 라니아케아 초은하단을 넘어 - 분당이웃]
인류가 현재까지 인식하고 있는 가장 가까운 초거대 질량구조체는 초은하단입니다. (Great Wall은 약 50억광년의 길이를 가진 구조체인데, 이 놈도 뭐 초은하단과 비슷한 놈이긴 합니다.) 아무튼, 우측 사진이 우리 은하가 속해있는 라니아케아 초은하단의 모습입니다. 오른쪽의 빨간 점이 우리 은하가 위치한 지역입니다.
이 초은하단의 길이는 대략 5.2억광년이고, 약 10만개의 은하를 포함하고 있다고 추측하고 있습니다. 그런데, 이 라니아케아 초은하단에 미스테리가 있는데, 왼쪽 상단을 보면 마치 매듭을 지어 놓은 것 같은 작은 점이 있습니다. (파란 링으로 표시)
이 자그마한 점에 무려 태양질량의 100조 ~ 1경배의 질량이 들어가 있다고 관측이 되고 있습니다. 숫자가 잘 가늠이 안 가실텐데, 우리 은하의 총질량의 약 1,000배 정도 됩니다. 하도 이상한 놈이라 고유이름도 가지고 있습니다. "거대인력체(The Great Attractor)"라고 합니다. 이 놈이 행사하는 인력이 너무나 막강해서 우리 은하는 초속 수백킬로미터로 저 거대인력체를 향해서 돌진하고 있다고 합니다. (그래봐야 우주팽창속도 보다는 못하다고 하네요.)
우리 은하의 1,000배 질량인데, 블랙홀은 아닌 것으로 관측되었다고 합니다. 그래서, 미스테리죠
(태양 질량의 2배 정도면 블랙홀이 될 수 있습니다. 그런데 100조~1경배의 질량을 갖는데도 블랙홀이 아니라 '거대인력체'라고 부르는 것을 보니, 저 정도 질량이면 블랙홀이 되어야하는데 그렇지 않으니 미스테리라고 하는 것 같네요.)
출처: 클리앙 (위의 설명과 약간 결이 달라서 참고로 퍼왔습니다.)
장성(Great wall)
우리 우주는 별들의 집합인 성단부터 시작해 성단의 모임인 은하군.. 은하군들의 모임인 은하단.. 은하단들의 모임인 초은하단으로 구성되어 있다. 저 가느다랗게 실타레처럼 얽혀있는 줄기들 하나하나가.. 우주의 최고 천체단위인 초은하단들이다.
본래 초은하단이 우주에서 가장 큰 규모의 천체였지만.. 실타레처럼 얽혀있는 초은하단들의 모임인 은하필라멘트구조 즉, 장성(Great wall)을 가장 큰 우주의 구조로 보자는 의견이 나오기 시작했다.
◀ 밀레니엄 시뮬레이션으로 재현된 우주 거대 구조. 뉴런을 방불케 한다. 길이 단위로 적혀 있는 125Mpc/h는 약 6억 광년에 해당한다. 해당 이미지는 사실 눈에 보이지 않는 암흑물질의 분포를 보여주는 것으로써, 실제 은하들은 노란색 부분의 중심부에 위치해 있다고 보면 된다.
우측 사진은 그 장성(Great wall)들 중 2013년까지 우주에서 가장 큰 장성으로 알려졌던 슬론장성의 위치이다. (현재는 Huge-LQG 장성이 제일크다) 2003년 프린스턴 대학에서 발견된 슬론장성은 지구에서 약 10억광년 떨어져있고 그 크기는 관측가능한 우주의 1/60.. 무려 13.8억광년으로 추정된다. [출처: 우주의 규모 :: 슬론장성]
CFA장성: '하버드-스미소니언 천체물리센터'의 관측에서 발견된 장성(길이 - 5억광년)
슬론(Sloan)장성: 2003년 발견 '슬론 디지탈 스카이 서베이'에서 관측된 장성(13.8억 광년)
남극장벽(South Pole Wall): 2020년 발견? 길이는 14억 광년
클로즈-캄푸사노 LQG: 1991년에 발견, 길이 630 Mpc(약 20억 5천만 광년)
U1.11: 2011년에 발견된 거대퀘이사군, 길이 780 Mpc(약 25억 4,400만 광년)
초거대 퀘이사군(Huge-LQG): 2012년에 발견, 길이 1.24 Gpc(약 40억 4,400만 광년)
헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성: 2013년 발견, 길이는 약 100억 광년(3 Gpc) - 관측 가능한 우주에서 가장 거대하고 무겁다.
지구에서 약 10억 광년 떨어진 곳에 있는 슬론장성은 또 다른 우주 거대 구조인 Huge-LQG(초거대 퀘이사군 - 길이 40억 광년)가 발견되기 전까지 우리가 알고있는 가장 거대한 구조였다. 하지만 최근 천체물리학 저널에 게재된 연구 결과를 보면 슬론장성보다 더 큰 구조를 발견했다는 놀라운 소식이 전해졌는데 직경이 무려 14억 광년에 달한다. (Youtube영상)
우주 남쪽 가장자리를 가로지르는 이 거대한 구조는 우리에게서 5억 광년 떨어진 곳에 위치하고 있으며 속한 별의 갯수만 해도 10경 개가 넘는다. 은하 수십 만 개가 이루는 이 장엄한 광경의 호칭은 남극장벽(South Pole Wall)이라 불리는데 비교적 가까운(?) 곳에 있었음에도 어째서 이제서야 우리에게 발견된 것일까?
그 이유는 남극장벽이 우연찮게도 우리 은하수의 회피 구역에 위치하고 있었기 때문. 회피 구역은 '회피대'라고도 불리는데 회피대(zone of avoidance)란 지구 위치에서 볼 때 우리은하 중심부의 매우 밝으면서도 먼지나 가스 구름 등으로 인해 시야가 거의 완벽히 가려지는 특정 지역을 말한다.
어떻게 발견할 수 있었을까?
일반적인 적색편이 방식으로는 매우 밝은 은하 중심부에 가려진 남극장벽을 발견하지 못했을 것이다. 과학자들은 중력 알고리즘의 도움으로 주변 은하들의 움직임을 계산 할 수 있었고 눈에 보이지는 않지만 우주 남쪽에 뭔가 거대한 구조가 있어야만 한다는 결과를 얻었다. 이와 같은 방식으로 관측할 수 없는 암흑물질의 존재와 분포를 예견할 수 있다.
남극장벽은 우리은하에서부터 약 3억 광년 떨어진 곳에서 북쪽 방향으로 우리 쪽으로 구부러져 있는 것을 확인할 수 있다. 커브 팔을 따라 남극장벽은 6억 5천만 광년 떨어진 또 다른 우주 거대 구조인 샤플리 초은하단 쪽으로 이동하고 있는 것으로 추정된다.
Hercules-Corona Borealis Great Wall
현 우주에서 발견된 가장 거대한 구조는 '헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성'이다.
이름에 걸맞게 긴 이 구조의 직경은 무려 3Gpc(기가파섹). 광년으로 환산하면 100억 광년이다. 관측 가능한 우주 직경의 약 11%에 달하는 구조가 있다는 것이 믿기지 않을 정도. 질량은 태양 질량의 약 1000경 배에 달한다. 이 헤라클레스-북쪽왕관자리 장성은 1991년부터 우주에서 가장 거대한 구조의 타이틀을 거머쥔 거대퀘이사군보다 더 거대한 것으로 알려진 최초의 구조이다.
[출처: 새로운 우주 거대 구조 발견 :: 남극장벽]
무려 20년이 걸렸습니다. 모든 천문학 관측 기법을 총 동원하여 새롭게 발견된 천체들의 정보와 기존의 정보를 조합하여 새로운 우주 지도가 탄생하게 되었습니다. 과학자들은 벌서 다음 프로젝트를 준비하고 있는데요. 나중에는 아직 우리가 알지 못해서 적용하지 못한 새로운 것들도 적용될 수 있을 겁니다. 아쉽게도 이 우주 지도는 영원히 완성되는 일은 없을 겁니다.
* 이 지도 프로젝트는 슬론 디지털 전천탐사(Sloan Digital Sky Survey, SDSS) 국제 연구팀이 진행하고 있습니다.
우주 지도는 아래의 사이트에서 보실 수 있습니다. 시뮬레이터가 아니고 동영상입니다.
https://www.epfl.ch/labs/lastro/public-outreach/virup/movies/eboss-press-release-2020/
아래는 유튜브 360도 VR버전입니다.
https://www.youtube.com/watch?v=rVaQxnhFT6Q
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