우리은하의 구조와 회전

핵심 정리

우리은하는 중심핵·원반·헤일로로 이루어진 나선 은하다. 원반에는 가스와 먼지, 젊은 별이 분포하고 나선팔 구조는 가스와 젊은 별의 분포로 확인된다. 태양은 은하 중심에서 멀리 떨어진 나선팔 근처에 있다. 구상 성단은 헤일로에 주로 분포하며, 헤일로에는 구상 성단 등 늙은 별이 주로 있고 별의 총수는 원반보다 적다. 섀플리는 구상 성단의 분포를 이용해 태양계가 은하 중심에서 멀리 떨어져 있음을 밝혔다.

은하의 회전은 중심에서의 거리에 따른 접선 속도를 회전 곡선으로 나타내어 분석한다. 케플러 회전에서는 중심에 가까운 별이 빠르고 멀수록 느리며, 속도는 중심 거리의 제곱근에 반비례한다. 그러나 우리은하의 중심 근처는 케플러 회전이 아니며, 태양 부근 별들도 케플러 회전을 하지 않는다. 바깥쪽에서는 회전 속도가 케플러 회전에서 예상되는 것보다 크게 유지되고, 우리은하 바깥 영역의 별은 케플러 회전을 하지 않는다. 우리은하 바깥쪽 천체의 회전 속도는 거리와 무관하게 거의 일정하다.

회전 속도 곡선으로 궤도 안에 포함된 질량을 추정할 수 있다. 은하 중심에서 멀어질수록 원 궤도 안의 총질량은 증가하며, 회전 속도로 추정한 은하 질량은 빛을 내는 천체의 총질량보다 크다. 이 차이는 암흑 물질의 존재를 보여 준다. 중성 수소의 21 cm 선은 시선 속도에 따라 도플러 편이가 나타나며, 수소 구름의 시선 속도에 회전 모형을 적용하면 태양으로부터의 거리를 구할 수 있다.

자세히

우리은하는 별과 성간 물질이 중력으로 묶여 회전하는 은하이다. 구조를 크게 나누면 중심핵, 원반, 헤일로로 볼 수 있다. 원반은 납작한 구조이며 가스와 먼지, 젊은 별이 있고 나선팔이 뻗어 있다. 헤일로는 원반 바깥을 둘러싼 영역으로, 구상 성단을 비롯한 늙은 별과 가스, 암흑 물질이 분포한다. 헤일로의 별은 원반의 별보다 총수가 적다. 구상 성단은 헤일로에 주로 분포한다. 나선팔을 확인할 때는 가스와 젊은 별의 분포를 살핀다. 구상 성단의 분포를 바탕으로 은하 중심을 추정한 섀플리의 연구와, 별과 성간 물질의 분포로 나선 구조를 알아보는 일은 서로 다른 증거를 이용한다. 태양은 은하 중심에 있지 않고, 중심에서 멀리 떨어진 나선팔 근처에 위치한다.

은하의 회전을 알아낼 때에는 천체가 은하 중심 주위를 도는 속도를 거리별로 비교한다. 여기서 회전 곡선은 가로축에 은하 중심으로부터의 거리, 세로축에 접선 속도를 놓은 그래프이다. 곡선의 모양을 읽으면 어떤 구간에서 속도가 증가하는지, 거의 일정한지, 감소하는지를 구분할 수 있다. 회전 속도를 읽을 때에는 시선 속도와 접선 속도를 혼동하지 않아야 한다. 접선 속도는 궤도 운동의 속도이고, 시선 속도는 관측자와 천체를 잇는 방향의 운동 성분이다. 관측자 위치가 바뀌면 같은 천체라도 시선 방향이 달라지므로 시선 속도 분포도 달라진다.

케플러 회전은 중심 질량이 궤도 운동을 지배하는 경우의 기준 모형이다. 원 궤도를 도는 천체에 대해 중력이 구심력 역할을 한다. 중심 질량을 일정하게 두면 거리 r이 커질수록 궤도 속도 v는 작아지고, 관계는 v\propto1/\sqrt{r}로 나타난다. 따라서 중심에서 가까운 별일수록 빠르며, 먼 별일수록 느리다. 속도 비를 구할 때 거리 비를 그대로 적용하지 말고 제곱근 관계를 적용한다. 원 궤도의 주기는 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간이므로, 같은 공전 속도라면 궤도 반지름이 큰 쪽의 주기가 더 길다. 일반적으로 중심 질량이 같더라도 반지름이 커지면 원 궤도 공전 주기는 길어지며, 주기는 궤도 반지름과 질량 분포에 따른 중력으로 정해진다.

하지만 케플러 회전은 우리은하의 모든 구간을 설명하는 실제 회전 법칙이 아니다. 은하 중심 근처는 케플러 회전을 하지 않으며, 태양 부근의 별들도 케플러 회전을 하지 않는다. 우리은하 원반에서 태양계는 은하 중심을 따라 케플러 회전을 하며 주변 천체와 거리가 변한다. 이 문장은 특정 진술에서 제시한 태양계와 주변 천체의 운동 관계를 읽는 데 쓰이며, 태양 부근 별들이 일반적으로 케플러 회전을 한다는 뜻으로 넓혀서는 안 된다. 실제 회전 곡선의 바깥 구간에서는 속도가 케플러 회전에서 예상되는 값보다 크게 유지되고, 우리은하 바깥 영역의 별은 케플러 회전을 하지 않는다. 바깥쪽 천체의 속도는 거리와 무관하게 거의 일정하며 케플러 회전과 다르다.