우리 은하서 ‘별이 태어나는 곳’ 찾았다

곽노필의 미래창
은하 중심에서 4만광년 거리가 한계
그 너머 별들은 중심에서 이동한 별

유럽우주국의 가이아 우주망원경 관측 데이터를 토대로 묘사한 우리 은하의 모습. 중심부의 막대 구조 및 팽대부, 나선팔을 확인할 수 있다. 유럽우주국 제공

우리 은하는 약 130억년 전 작은 은하들과 가스 구름들이 중력으로 뭉쳐지며 형성되기 시작해 100억년 전 오늘날과 같은 막대 나선 은하 모양을 갖추게 됐다. 이후에도 가스와 먼지가 밀집해 있는 나선팔에서는 끊임없이 새로운 별들이 태어나 현재 최대 4000억개의 별을 품고 있는 거대한 은하로 성장했다.

우리 은하의 외형상 가장 큰 특징은 납작한 원반 모양이라는 점이다. 원반의 지름은 10만광년이나 되지만 두께는 수천광년에 불과하다.

하지만 원반의 정확한 ‘끝’이 어디인지 정의하는 것은 매우 어려운 문제다. 외곽으로 갈수록 별의 밀도가 서서히 낮아지며 암흑 속으로 흩어지는 안개와 같은 구조를 띠고 있기 때문이다.

최근 몰타대가 중심이 된 국제연구진이 우리 은하에 있는 큰 별 10만개 이상의 나이를 정밀 분석해, 별을 만드는 원반의 경계를 처음으로 밝혀냈다. 연구진은 유럽우주국의 가이아 위성과 분광 망원경인 중국의 라모스트(LAMOST), 미국의 아포지(APOGEE)에서 측정한 데이터를 분석한 결과, 별은 대부분 은하 중심에서 4만광년 이내에서 만들어지고 있는 것으로 나타났다고 국제학술지 ‘천문학과 천체물리학’에 발표했다.

우리 은하에서 별들의 나이 분포는 은하 중심에서부터 U자형 곡선을 그린다. 몰타대 제공

U자형 곡선을 그리는 별 나이 분포

연구진은 U자형 곡선을 그리는 별들의 나이 분포도가 우리 은하의 별 형성 영역 경계를 정확히 보여준다고 설명했다.

일반적으로 은하 중심에서 먼 별일수록 나이가 젊은 경향을 보인다. 은하는 중심에서부터 바깥쪽으로 수십억년에 걸쳐 점차 확장해가며 완성되기 때문이다. 연구진은 우리 은하도 예외가 아니라는 사실을 확인했다. 중심부에서 멀어질수록 별의 나이가 젊었다. 46억년 전에 탄생한 태양은 은하 중심에서 2만6천광년 거리에 있다.

하지만 은하 중심에서 3만5천~4만광년 지점에 이르자 반전이 나타났다. 이 지점부터 별의 나이가 다시 많아지는 U자형 흐름을 보였다.

컴퓨터 시뮬레이션 분석 결과, 이 U자형 곡선 바닥 지점은 새로운 별이 생성되는 효율이 급격히 떨어지는 구역으로 드러났다. 연구진은 “이는 이곳이 바로 우리 은하의 ‘별 형성 원반’의 실질적인 경계선이라는 걸 확인시켜준다”고 밝혔다.

논문 제1저자인 칼 피테니 박사(이탈리아 인수브리아대)는 “은하수 별 형성 원반의 범위는 오랫동안 은하 고고학의 숙제였다”며 “원반 전체에 걸친 별의 나이 분포를 통해 명확한 답을 얻게 됐다”고 말했다.

별의 중심부에서 태어나 별 형성 구역 경계선(흰색 점선)인 4만광년 너머 외곽으로 이동해간 별들을 묘사한 그림. 몰타대 제공

나선팔 타고 서서히 외곽으로 이동

그렇다면 경계선 너머에서 발견되는 나이 많은 별들의 정체는 뭘까? 연구진은 이 별들은 우리 은하 외곽에서 태어난 것이 아니라, 은하 안쪽 구역에서 태어나 수십억년에 걸쳐 서서히 바깥쪽으로 밀려 나간 ‘이주민’ 별이라고 밝혔다.

우리 은하의 나선팔은 선풍기 날개처럼 고정돼 있는 것이 아니다. 은하 중심을 축으로 끊임없이 회전하는 별과 가스 구름의 중력이 복합적으로 작용해 형성되는 고밀도 구역이다. 따라서 별들은 탄생구역에 머물지 않고 중력의 나선 파동을 따라 점차 바깥쪽으로 이동한다. 마치 바다에서 서핑하는 사람들이 파도를 타고 해안으로 이동하는 것과 같다. 더 먼 거리에 도달하기까지는 더 오랜 시간이 걸린다. 이 때문에 별 형성 경계선 너머에서는, 중심에서 멀리 떨어질수록 별의 나이가 더 많은 현상이 나타난다.

은하 외곽에 있지만 이 별들의 공전 궤도는 모두 원형이다. 연구진은 “이는 이 별들이 위성 은하의 중력 영향을 받아 흩어진 것이 아니라 원반 내의 역학을 따라 움직였다는 것을 의미한다”고 밝혔다.

왜 4만광년 거리에서 별 탄생 멈췄을까

연구진은 그러나 왜 은하 중심에서 4만광년 떨어진 거리에서 별 형성이 갑자기 중단되는지는 알아내지 못했다. 연구진이 꼽은 한 가지 가능성은 막대 나선형이라는 우리 은하의 구조와 관련이 있다. 은하 중심부에 있는 2만7천광년 길이의 막대 구조 중력이 가스를 특정 반경 내에 모이도록 했다는 것이다. 또 다른 가능성은 다른 왜소 은하와의 중력 상호작용으로 인해 나선 원반이 휘어지면서 별 형성이 방해를 받아 4만광년 지점에서 멈춰버렸다는 것이다.

*논문 정보

The edge of the Milky Way’s star-forming disc: Evidence from a ’U-shaped’ stellar age profile.

https://doi.org/10.1051/0004-6361/202558144

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr