별 탄생 역사에 ‘75억 년 공백’ 지닌 특이 성단

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이정환의 ‘우주★천문 뉴스 파일’

관측과 분석 기술이 발전하면서 우리의 근원적 호기심을 자극하는 우주와 천문학의 새로운 연구 소식들이 잇따릅니다. 천문학을 공부하는 대학원생 이정환 님이 우주·천문 분야의 흥미로운 최근 소식을 간추려 독자들께 전해줍니다.


   구상성단 ‘테르잔 5’는 우주 역사 초기의 어떤 이야기를 들려줄까?


   00globularC3_T.jpg » 테르잔 5 구상성단의 사진. (출처 / 허블 우주 망원경)


름철 밤하늘에 보이는 은하수는 우주 초기에 어떤 과정을 거쳐 만들어졌을까요? 우리은하는 수천억 개의 매우 많은 별들과 성운, 성단 등의 다양한 천체들을 포함하고 있어 그 형성 과정을 알아내기란 매우 어려운 일입니다. 숲 속 한가운데에 있는 사람이 숲 전체를 볼 수 없듯이 애초에 우리은하를 관측하는 우리가 은하 안에 위치해 있어 은하 전체의 구조를 제대로 파악하기가 힘들기 때문입니다. 게다가 천체들에서 오는 빛을 가리는 성간먼지들도 매우 많아 은하 중심부는 더욱 관측하기가 어렵습니다.


하지만 천문학자들은 우리은하의 형성 역사를 연구하기에 가장 좋은 관측 대상을 찾아내었습니다. 바로 ‘구상성단(globular cluster)’입니다. 구상성단은 지금까지 우리은하 뿐만 아니라 외부은하의 형성 과정을 알아내기 위한 중요한 단서로서 수없이 많이 관측되어 왔습니다.


00globularC1.jpg » 구상성단들의 사진. 별들이 빽빽하게 구 모양으로 빽빽하게 모여있다. (출처 / 막스 플랑크 협회 & 유럽 남방 천문대 2.2m 망원경, 허블 우주 망원경)



구상성단의 성질과 중요성

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그러면 구상성단은 어떤 천체일까요? 말 그대로, 구상성단(球狀星團)은 수만 개에서 수십만 개의 별들이 공 모양(球狀)으로 둥글게 모여 있는 성단(星團 : 별의 무리)입니다. 구상성단은 주로 별들이 빽빽하게 모여 있는 은하 중심의 팽대부(galactic bulge)나 천체들이 희박하게 분포하고 있는 은하 외곽부의 헤일로(galactic halo)에 분포하고 있습니다.


상성단의 평균적인 나이는 약 50억 년에서 많게는 120억 년에 이릅니다. 우주의 나이가 약 138억 년임을 고려하면 구상성단은 주로 우주 초기에 형성된 오래된 별들로 구성되어 있다고 할 수 있습니다. 그러므로 구상성단은 곧 우주 초기에 태어난 오래된 별들의 세계를 보여줄 수 있는 것이죠.


00globularC2.jpg » 우리은하의 대략적인 구조를 나타낸 그림. 구상성단(globular cluster)은 주로 은하 중심의 팽대부(galactic bulge)와 은하 헤일로(galactic halo)에 분포한다. 구상성단보다 나이가 젊은 별들이나 산개성단(open cluster)들은 주로 은하 원반(galactic disk) 지역에 분포하는 경향을 보인다. (그림에서 1 kpc은 약 3,260 광년에 해당하는 거리이다.) (출처 / Pearson Education 2008)


특히 우리은하 중심의 팽대부에 존재하는 구상성단에 대한 연구는 우리은하의 형성 기원을 밝히는 데에 다양한 방법으로 적용될 수 있습니다.


선 구상성단의 나이로 우리은하의 나이를 추정해 볼 수 있습니다. 구상성단들은 우리은하에서 가장 나이가 많은 '연장자' 천체들이므로 이 구상성단들의 나이를 구하면 우리은하 나이의 최솟값을 알아낼 수 있습니다. 이러한 방법으로 밝혀진 우리은하의 대략적인 나이는 120억 년 이상입니다.


또한 우리은하 팽대부는 많은 양의 주변 성단들과 성간가스들이 은하 중심으로 모여들면서 생겨났기 때문에, 구상성단에 속하는 별들의 중원소 함량(수소, 헬륨을 제외한 나머지 원소들의 구성 비율)과 나이 분포를 이용하면 우리은하 팽대부의 형성 및 진화 과정을 더욱 자세히 알 수 있습니다. 이를 통해 우리은하의 형성 과정에 대한 여러 가지 가설들도 함께 생각해 볼 수 있습니다.



독특한 나이 분포 보이는 테르잔 5 구상성단

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우리은하 중심의 팽대부에 있는 구상성단 '테르잔 5 (Terzan 5)'에 대한 최근의 분석 결과는 우리은하의 형성 과정을 연구하는데 새로운 단서를 제공하였습니다. 테르잔 5 구상성단은 지구에서 궁수자리 방향(은하 중심부 방향)으로 약 1만 9000 광년 거리에 있는 성단입니다. 이탈리아 볼로냐 대학의 프란체스코 페라로(Francesco Ferraro) 박사 연구진은 허블 우주 망원경과 유럽 남방 천문대의 초거대 망원경(Very Large Telescope), 그리고 하와이 켁 망원경(Keck Telescope)을 이용하여 테르잔 5를 관측하고 분석하였습니다.


결과 테르잔 5의 별들이 독특한 나이 분포를 보이고 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 테르잔 5에 속하는 별들은 '두 세대'의 별들로 이루어져 있었습니다.


00globularC4.jpg » 테르잔 5 구상성단에서 발견된 두 세대의 별들을 색-등급도 상에서 나타낸 그래프. I와 K는 근적외선 파장대에 위치한 필터들이다. x축은 두 필터에서 관측된 별들의 등급 차이로 구한 색지수(color excess)이고, y축은 K 필터에서 측정된 별의 밝기를 겉보기 등급으로 나타낸 값이다. 굵은 실선으로 표시된 곡선은 각각의 나이와 중원소 함량을 가지는 별들의 분포를 보여주고 있다. 파란색 곡선이 나이가 많은 1세대의 별들을, 빨간색 곡선이 나이가 적은 2세대의 별들을 나타낸다. 이 색-등급도를 통해서 테르잔 5 성단에 '두 세대'의 별들이 존재함을 알 수 있다. (출처 / Ferraro, F., Massari, D., et al. 2016, arXiv:1609.01515v1) '첫 번째 세대'의 별들은 나이가 약 120억 년이고 중원소 함량이 태양의 중원소 함량보다 약 50% 정도 더 낮은 별들이었습니다. 이 세대의 별들은 일반적인 구상성단들에서 발견되는 별들과 성질이 비슷합니다. 하지만 테르잔 5에서 발견된 '두 번째 세대'의 별들은 나이가 약 45억 년으로 젊고 중원소 함량은 태양보다 약 50% 더 높은 별들이었습니다.


첫 번째 세대와 두 번째 세대의 별들은 약 6 대 4의 비교적 대등한 질량비를 보이며 분포하고 있었습니다. 다시 말하면, 구상성단 테르잔 5는 나이와 중원소 함량이 서로 다른 두 종족의 별들로 이루어져 있는 셈입니다.


렇게 두 세대의 별들이 분포한다는 것은 테르잔 5에서 별의 생성 작용이 약 75억 년 정도의 공백이 있을 정도로 ‘불연속적’이었다는 뜻입니다. 왜 이렇게 불연속적인 별 생성 작용이 나타났을까요?


페라로 연구진은 약 120억 년 전 테르잔 5에서 많은 별들이 생겨났지만 어떤 이유로 인해 별을 만들어내지 못한 성간가스들이 테르잔 5 내에 그대로 남아있게 되었고, 그 가스들이 45억 년 전 다시 별을 생성하였기 때문이라고 설명합니다.


[ 우리은하 규모에서 테르잔 5 구상성단까지를 확대하여 보여주는 영상.

  https://youtu.be/jtQOAtiJq3o (출처 / APOD Videos) ]



테르잔 5가 들려줄 우리은하의 옛날이야기

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페라로 연구진이 우리은하 팽대부에서 관측된 별들의 데이터를 따로 모아서 테르잔 5의 별들과 비교해 본 결과는 테르잔 5의 별들이 우리은하 팽대부의 별들과 매우 비슷한 성질을 지니고 있다는 사실을 말해주고 있습니다. 만약 이러한 현상이 테르잔 5에서만 나타나는 희귀한 현상이 아니라 우리은하 중심부의 다른 별들이나 성단들에도 흔히 나타나는 현상이라면, 우리는 우리은하 팽대부의 형성과 진화 과정에 대한 또 하나의 '소설'을 써볼 수 있습니다.


앞에서도 얘기했듯이 우리은하의 팽대부는 많은 성단들과 성간가스들이 은하 중심의 강한 중력에 묶여 한꺼번에 서로 병합하면서 만들어졌다고 추론되었습니다. 하지만 테르잔 5 성단이 보여주는 것처럼, 우리은하 중심 근처에 있다고 해도 팽대부와 병합하지 않고 성단 내에 살아남아서 '두 번째 세대'의 젊은 별들을 만들어내는 성간가스들이 많을 가능성도 있습니다. 그렇다면 우리은하 팽대부의 진화 과정은 그동안 예상하던 것과는 조금 다른 시나리오를 따를 수도 있습니다. 예컨대 한꺼번에 많은 물질들을 병합시킬 수 없을 정도로 팽대부의 중력이 강하지 못했다면 지금 우리가 보는 은하 중심부는 생각보다 오랜 시간에 걸쳐서 형성되었을 수도 있는 것이죠.


리는 우리은하에 속해 있는 관측자이기 때문에 우리은하에 대한 개개의 '나무'는 볼 수 있지만 전체적인 '숲'을 볼 수는 없는 상황입니다. 그렇기에 우리은하의 전체 모습을 여러 가지 간접적인 방법을 통해 연구하고 규명하려는 연구자 분들의 노력과 시도는 더욱 대단하게 여겨집니다. 비록 관측하기가 더욱 어려운 은하 중심부이지만 지금도 많은 별들과 성단들이 관측되고 있습니다. 앞으로도 테르잔 5와 비슷한 경향을 보이는 천체들이 더 많이 발견될 수 있을까요? 그런 천체들이 우리은하의 탄생에 대해 어떤 이야기들을 들려줄지 기대가 됩니다.



[참고]


Hubble discovers rare fossil relic of early Milky Way. Phys.org, 7 Sep 2016

   http://phys.org/news/2016-09-hubble-rare-fossil-relic-early.html

Astronomers: Star Cluster Terzan 5 is 'Living Fossil'. Sci-News, 7 Sep 2016

   http://www.sci-news.com/astronomy/cluster-terzan-5-living-fossil-04170.html

Terzan 5 may unlock secret to Milky Way's past. Universe Today, 11 Sep 2016

   http://www.universetoday.com/130626/terzan-5-may-unlock-secret-milky-ways-past/

Ferraro, F., Massari, D., et al. 2016, arXiv:1609.01515v1


이정환 서울대 물리천문학부 석박사통합과정   

@한겨레 과학웹진 사이언스온   



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이정환 서울대학교 물리천문학부 석박사통합과정(천문학) 대학원생
이제 막 천문학의 바다를 항해하기 시작한 대학원생입니다. 아직 내공이 부족하지만 앞으로 연구도 잘하고 싶고 글도 잘 써보고 싶은 욕심 많은 과학도입니다.
이메일 : joungh93@gmail.com      
블로그 : http://blog.naver.com/radii26omg

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