[카오스]-별과 은하의 신비 - 이석영 교수

 이석영 연세대 교수 카오스 강연

별과 은하의 기원에 대한 신비한 이야기

 

 

 

 

이석영 교수 :

우주 배경복사를 전문적으로 탐구한 천문학자.

 

상기 카오스 동영상 자료는 초기 은하의 형성과정과 신비한 진화의

 

여러 패턴들을 시뮬레이션화하여 연구하며 얻어낸, 놀랍고도

 

과학적인 천문학적 지식들을 청중과 시청자들에게 알기 쉽게

 

설명해 준다.

 

 

 

 

 은하의 형태와 특성 등에 관해서 우리가 몰랐던 많은 천문학적 지식들을

 

배우게 되는 소중한 명 강연인듯 여겨진다.

 

 

 

 

 

. 별과 은하에 관하여 ...  

 빅뱅이 일어나고 급팽창이 일어난 뒤, 초반기 어린 우주에 대한 연구는 다양하게 진행된다. 

  별은 1,2 세대의 별의 탄생과 죽음 이후 태양과 같은 수명이 긴 제3세대 별이 태어난다.

  그 이전 세대의 초창기 별들은 태어나 천만년 정도의 짧은 세월을 살고, 죽은 후에 자신이 끌어모은 모든 물질의 90% 정도를 우주로 환원하고 사라져 갔다.

 그러나  제3세대 별들은 태양의 수명처럼 100억년 정도 길게 타면서 모든 것을 다 태우고, 대략 50% 정도를 우주 공간에 방출하고 서서히 백색 왜성으로 죽어 간다.

아주 먼 우주의 최초의 별과 은하가 성장하는 것을 관찰하는 연구도 있고 우리 은하수를 조사해 초기 우주에 대한 정보를 알아내는 접근도 있다. 

초창기의 별들은 무거운 원소를 거의 갖고 있지 않다. 

태양은 2% 정도의 무거운 원소를 갖고 있어 늦게 만들어진 별 중 하나로 본다. 

결국 태양이 형성되기 훨씬 전에 만들어진 1,2 세대 별들의 잔해로부터 생성된 별이다. 

  ‘프리스틴(Pristine) 221’ 별은 우리 은하에서 가장 금속이 적은 별 중 하나이자 탄소성분이 거의 없는 두 개 별 중 하나이다.  금속이 매우 부족하다는 것은 은하계에서 형성된 초창기 세대의 별일 가능성이 높음을 의미한다.

  2003년 미국 항공우주국은 빅뱅이후 7억 년밖에 지나지 않은 130억 년 전에 탄생한 행성을 발견했다.  이 행성은 지구에서 5천600광년 떨어진 전갈자리의 M4 구상성단(球狀星團) 중심부에 위치해 있다.  M4는 태양계가 형성되기 수십억 년 전에 만들어진 성단이다. 

   과학자들은 M4 성단을 140억 년 전의 빅뱅 직후 생성된 제1세대 별로 보고 있으며, 우리의 태양은 제3세대 별로 보고 있다. 

  이러한 발견으로 행성이 기존 이론보다 훨씬 빠른 빅뱅 후 10억 년 내에 생성됐을 수도 있음을 보여준다.  이것은 130억 년 전에도 생명체가 출현하고 멸종했을 가능성을 의미할 수도 있다. 

우주의 긴 시간표를 생각해보면 생명은 지금만일 수는 없다.

  이석영 박사는 ' 허블 울트라 딥 필드 '  프로젝트의 집요한 관측을 통해 빅뱅 이후 초창기에 생긴 별의 잔상인 우주 배경복사의 모습을 발견한 놀라운 과정을 우리에게 자세히 설명해 준다.

  은하는 대개 대도시 처럼 타원형이나 원형으로 보이는 구상 은하와 우리 은하처럼 납짝한 접시 모양의 나선형 은하로 대별된다고 한다.  타원형 구상 은하가 70% 정도 더 많다.

  어떻게 해서 은하의 모양이 그렇게 변화했는지에 관해 실험과 시뮬레이션 실험 계산을 통해 지금의 우리 은하의 모형을 과학적으로 밝혀낸다. 

  이 강연의 압권은 초기 우주(빅뱅 후 1억 4천만년 지난 뒤) 거대 우주 구조 형성 과정을 설명하는 3천만년이나 걸릴 만큼의 엄청나게 많은 빅 데이타 계산의 시뮬레이션 분석 자료를 통해, 구상 은하와 나선형 은하가 어떻게 형성되어 갔는지 추론해 가는 과정에 모두는 찬탄을 금치 못하게 만든다. 즉 양성자와 중성자의 미세한 물질 분포 차가 10만분의 1 수치를 대입하여 우주의 형상 진행 과정을 계산해 보면, 정확히 현재 우리 은하의 모양대로 모형이 변하는 것을 과학적으로 입증해 낸 것이다. 

  나중에 청중 질문에서 우주 공간장에 아주 고르게 분포되어 있던 우주 물질들이 점점 중력에 의해 덩어리 져서 초거성으로 변하는 기이한 현상은 일반적인 엔트로피 법칙에 반하는 현상(점점 농도가 짙은 것에서 옅은 것으로 퍼져 나가는 현상)으로 자연법칙에 위배되는게 아니냐 는 의문에 초기 우주의 중력값은 엔트로피에 비해 너무 컸기 때문에 엔트로피의 반-작용 현상도 충분히 가능했을 것이라는 보충 설명으로 이해를 돕는다.

   그리고 다른 질문에서 그렇다면 현재의 우주 모형이 미래에는 종말에 어떻게 변화 할 것으로 보이느냐 는 질문에 그것은 미래로의 천문학적 숙원이라는 말과 양자 컴퓨터가 나오는 세대의 미래 과학자들이 풀어야 할 필연적 숙원이라고 설명해 준다. 

 

 

 

  또한 M87 거대질량 블랙홀 사진 자료를 보여주면서 은하 관련 미스터리를 풀어 나간다.

 일반적으로 우리가 아는 상식보다 훨씬 더 이른 시기에 은하와 별이 탄생했다는 설명도 해준다. 

  2018년 다쿠야 하시모토(Takuya Hashimoto) 등 국제 연구진이 칠레 아타카마 사막에 있는 전파 망원경 군집(ALMA)을 이용해 은하(MACS1149-JD1)를 관측하면서 이 은하계의 이온화된 산소에 의해 방출된 아주 희미한 빛을 감지했다. 

  이 적외선이 우주를 가로질러 오면서 우주가 팽창해 지구에 도달할 때까지 파장이 10배 이상 늘어났고, 이것을 탐지한 것이다.  이 신호는 133억 년 전 또는 빅뱅 이후 5억년 뒤에 방출된 것으로 추론된다. 

  산소의 존재는 이 은하에 이전에 생각했던 것보다 훨씬 빠른 세대의 별들이 존재했다는 것을 나타내는 명백한 신호다.  2016년에도 오사카 산교대학의 아키오 이노우에(Akio Inoue)팀이 전파 망원경 군집을 이용해 131억 년 전에 방출된 산소 신호를 발견한 바 있다. 

  그 몇 달 후에 영국 유니버시티 컬리지 런던의 니콜라스 라포트(Nicolas Laporte) 연구원이 132억 년 전의 산소를 탐지해 냈다.  유럽 남방 천문대(ESO)의 초-거대 망원경(Very Large Telescope, VLT)도 더 약한 수소 방출 신호를 감지했다. 

  이 관측으로부터 환산한 은하까지의 거리는 산소 관측으로부터 나온 거리와 일치했다. 

  이에 따라 MACS1149-JD1 은하는 정확하게 거리가 측정된 가장 먼 거리에 있는 은하로 기록됐다. 

  이 은하는 우주의 나이가 5억년 밖에 되지 않았던 당시 이미 성숙한 별들이 있는 시기에 나타난 것으로 보인다.

   MACS1149-JD1 은하에서 산소가 탐지된 것은 초기 세대 별들이 이미 형성돼 있었고 우주가 시작된 지 5억년 뒤까지 산소를 방출했다는 것을 의미한다. 

  연구팀은 NASA/ESA의 허블 우주망원경과 NASA의 스피처 우주 망원경이 확보한 적외선 데이터를 사용해 MACS1149-JD1 은하의 초기 역사를 재구성했다. 

  그리고 이를 통해 이 은하의 관측된 밝기가, 우주가 시작된 뒤 2억5000만년 뒤에 별 형성이 시작됐다는 모델로 잘 설명된다는 사실을 발견했다. 

  연구팀은 MACS1149-JD1 은하의 나이를 확립함으로써 은하들이 현재 우리가 직접 탐지할 수 있는 것보다 일찍 존재했다는 것을 효과적으로 증명했다.

  그리고 실제로 135억 년 전에 생긴 별이 발견되었다.  우리 은하에 있는 별 ‘2MASS J18082002–5104378 B’가 그것이다. 

  별의 금속 함유량이 매우 적고 질량이 작다는 점을 볼 때 이 별이 135억 년 전 탄생한 것으로 추정된다. 

  지금까지 과학자들은 빅뱅 이후 큰 별만 만들어졌고 모두 사라졌다고 생각했지만, 이 별의 발견으로 빅뱅 이후 질량이 작은 별이 만들어지고, 이러한 별은 매우 오랫동안 존재한다는 것이 입증됐다. 

  어쩌면 ‘2MASS J18082002–5104378 B’보다 더 오래된 별이 있을지도 모른다.

  빅뱅 뒤 얼마 지나지 않은 초기 우주에서 태양의 질량의 15억 배에 달하는 블랙홀을 가진 퀘이사(J1007+2115)가 관측되었다. 

  이 퀘이사의 빛은 약 130억2천만 년 전 것으로 퀘이사 중에서는 두 번째로 오래됐지만 블랙홀의 질량으로만 따지면 초기 우주에서 가장 큰 퀘이사이다. 

  작은 블랙홀이 이처럼 큰 규모로 커지기에는 시간이 너무 짧아 초기 우주에서 블랙홀의 형성과 성장에 관한 기존 이론에 가장 큰 도전을 제기한다. 

  퀘이사는 우주에서 가장 강력한 에너지를 가진 천체 중 하나로 138억년의 우주 역사에서 언제 처음 출현했는지가 관심의 대상이 돼왔다. 

  하나의 별이 붕괴해 만들어지는 작은 블랙홀이 빅뱅 뒤 7억년밖에 안 된 시점에 이렇게 큰 초대형 블랙홀로 성장하는 것은 현재 이론으로는 거의 불가능하다. 

  이런 퀘이사가 존재하려면 빅뱅 뒤 1억년 이내에 태양의 1만 배에 달하는 질량을 가진 블랙홀 ‘씨앗’(seed)으로 시작해야 한다. 

  그러나 현재의 과학이론으로는 빅뱅 뒤에 별과 은하가 만들어지기 시작한 것은 약 4억 년쯤 뒤 수소의 이온화가 이뤄진 재이온화기(Epoch of Reionization)이다.

  2017년에도 이보다 약 200만 년 앞선 퀘이사(J1342+0928)가 보고되었다.

  현재 칠레와 하와이에 있는 8.5m 최대 전파 망원경은 5년 내에 30m 초대형 전파 망원경으로 새롭게 교체된다고 한다.

  그러면 우리가 모르는 새로운 우주의 비밀이 또 많이 밝혀질 것이다.

  2부 강연자로 나온 대한민국을 대표하는 관측 천문학자이자 '한국 천문 연구원'의 신윤경  책임 연구원은 그 최신 30미터 거대 전파 망원경에 큰 기대를 갖고 있다고 강연을 통해 말해 주면서 최신 천문학 동향에 관한 기대감을 한껏 높혀 준다. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[우주상식] - 우리 은하와 외부 은하, 퀘이사

 

 

 

  우리 은하의 총 길이는 10만광년 정도이고,  그 중심부 근방에는 수많은 블랙홀과 구상 은하 그리고  성운 등이 혼합적으로 존재합니다.

  또한 35개 정도의 주변 은하를 합쳐  국부 은하단을 형성하고 있는데,  그 중심부에 우리 은하와 안드로메다  은하가 존재하며, 그 주변부에 마젤란 은하,  소마젤란 은하 등이 있으며 은하단의 총 길이는 무려 350만광년  정도나 된다고 합니다. 

 

 

. 4강 - 이석영 교수 강연 내용 썸머리 . 

blog.naver.com/redcyberkim/221541088571