[이광식의 천문학+] 우리은하에는 별이 몇 개나 있을까?

우리은하에는 과연 별이 몇 개나 있을까? 그리고 천문학자들은 그 별의 개수를 어떻게 알아낼까?

미국 뉴욕의 이타카 대학 천문학과 데이비드 콘라이히 박사에 의하면 천문학자들은 은하의 질량을 계산하여 별의 개수를 추정하는 방법을 쓴다고 밝혔다. 그렇다면 은하의 질량을 어떤 방법으로 알아내는지, 그리고 그 질량값에서 별 수를 어떻게 추산하는지 따라가 보도록 하자.

태양계의 지구가 있는 우리은하는 지름이 약 10만 광년에 달하는 막대 나선은하다. 우리은하를 바깥에서 본다면, 은하 중심의 팽대부에서 4개의 나선팔이 뻗어나와 있는 모습을 볼 수 있을 것이다. 2개의 주요 나선팔은 페르세우스 나선팔과 궁수자리 나선팔이고, 다른 2개는 부차적인 것으로, 우리 태양계는 그중 하나인 오리온 팔에 얹혀 있다.

20세기 초까지만 해도 천문학자들은 우리은하가 곧 우주 전체라고 생각하고, 우주의 모든 별들이 은하계의 내부에 있는 거라고 생각했지만, 1920년대에 이것이 턱도 없는 생각이라는 사실이 밝혀졌다. 미국의 신출내기 천문학자 에드윈 허블이 세페이드 변광성을 이용해 안드로메다 성운까지의 거리를 측정해본 결과, 무려 90만 광년 밖에 있는 또 다른 은하임을 알아냈던 것이다. 이는 우리은하 지름의 9배에 해당하는 거리다. 물론 허블의 측정은 큰 오차를 가진 것으로, 현재 안드로메다 은하까지의 거리는 230만 광년으로 결정되어 있다.

그렇다면 우리은하의 지름 10만 광년은 얼마만한 크기일까? 쉽게 상상이 되지 않는 크기지만, 상상할 수 있는 방법이 있다. 지금까지 인류가 끌어낼 수 있는 로켓의 최대 속도는 초속 23㎞다. 이는 2015년 명왕성을 근접비행한 NASA 탐험선 뉴호라이즌스가 목성의 중력보조를 받아 만들어낸 속도로 지구 탈출속도의 2배가 넘는다. 대략 총알보다 23배가 빠르다고 생각하면 된다.

이 뉴호라이즌스에 올라타고 은하를 호기롭게 가로질러 가보도록 하자. 얼마나 걸릴까? 1광년이 약 10조㎞니까, 10만 광년은 약 100경㎞다. 1 다음에 0이 18개나 붙는 엄청난 숫자다. 이 거리를 뉴호라이즌스가 초속 23㎞로 밤낮없이 달린다면 우리은하를 가로지르는 데 약 14억 년이 걸린다. 이는 우주 역사 138억 년의 약 10분의 1에 해당하는 시간이다. 우리 인류에게 거의 영겁이라 할 만하다.

우리은하만 하더라도 이처럼 광대하다. 여름에 빛공해가 덜한 시골에서 밤하늘을 올려다보면 뿌연 강처럼 보이는 은하가 하늘을 가로지르는 광경을 볼 수 있다. 모두 별들이 뭉쳐져 만들고 있는 풍경이다.



우리가 맨눈으로 볼 수 있는 별의 수는 몇천 개에 지나지 않는 만큼 눈으로 우리은하의 별을 다 셀 수는 없다. 뿐더러 1초에 하나씩 센다고 쳐도 100년을 세어야 겨우 30억 개를 셀 수 있을 뿐이다. 그렇다면 천문학자들은 그 많은 숫자를 어떻게 계산했을까? 비결은 우리은하 전체의 질량을 재고, 그 다음 별의 평균 질량으로 나누는 방법이다. 은하의 질량은 은하의 회전속도와 도플러 효과를 이용하면 구할 수 있다.

도플러 효과란 파동을 발생시키는 파원과 그 파동을 관측하는 관측자 중 하나 이상이 운동하고 있을 때 발생하는 효과로, 파원과 관측자 사이의 거리가 좁아질 때에는 파동의 주파수가 더 높게, 거리가 멀어질 때에는 파동의 주파수가 더 낮게 관측되는 현상을 말한다.

관측에 따르면, 모든 은하들은 서로 멀어지고 있으며, 은하에서 오는 빛은 도플러 효과에 따라 파장이 길어지므로 스펙트럼의 붉은색 쪽으로 이동한다. 이를 ‘적색이동’이라고 하고, 그 반대는 ‘청색이동’이라 한다. 어떤 종류의 망원경이라도 이런 종류의 분광 작업을 할 수 있지만, 되도록이면 빛공해와 대기의 방해를 받지 않는 우주망원경이 이상적이라 할 수 있다.

다른 까다로운 것은 그 질량의 얼마가 별로 만들어졌는지를 알아내는 작업이다. 은하의 질량을 계산하는 데 필수적으로 감안해야 하는 사항은 암흑물질이다. 대략적인 경우 은하 질량의 약 90%는 암흑물질이다. 암흑물질은 빛을 방출하지 않지만 우주의 질량 대부분을 차지한다고 여겨진다.

일단 가시물질의 질량을 파악해냈다 하더라도 다른 문제가 또 있다. 은하 유형마다 품고 있는 별들의 종류가 같지 않다는 점이다. 예컨대, 나선은하인 우리은하에 비해 나이 많은 타원은하는 K-M형 적색 왜성이 더 많다.

보통 한 은하의 총질량 중 약 3%가 별을 구성하고 있는 것으로 추산되는데, 우리 태양이 별 중 중간치 질량의 별로 볼 때 우리은하가 품고 있는 전체 별의 개수는 추산 방법에 따라 1000억에서 7000억 개라는 진폭이 큰 값들이 나오는데, 현재는 약 4000억 개라는 주장이 대세를 이루고 있다. ‘코스모스’의 저자 칼 세이건도 4000억 개에 손을 들어주고 있다.

현재 유럽우주국(ESA)의 가이아 탐사선은 우리은하의 별 약 10억 개에 대한 3차원 지도작업을 수행하고 있는 중이다. 가이아의 미션이 끝나면 우리은하의 별 개수를 더욱 정확히 결정할 수 있게 될 것으로 보인다.

이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com