우주 은하 수 (은하 종류, 우주 거대구조, 관측 한계)
밤하늘을 올려다보다가 "저 별들이 전부 우리은하 안에 있는 건가?" 하고 궁금해한 적 있으신가요? 저도 처음엔 그렇게 생각했습니다. 그런데 실제로는 우리가 맨눈으로 보는 별들조차 우리은하의 극히 일부에 불과하고, 우주에는 그런 은하가 2조 개 이상 존재할 가능성이 있다고 합니다. 이 숫자를 처음 접했을 때 솔직히 감각이 마비되는 느낌이었습니다.
은하 종류와 우리은하의 위치
우주에 은하가 그렇게 많다면, 은하는 대체 어떤 모습일까요? 제가 처음 천문학 자료를 찾아보면서 가장 놀랐던 건, 은하가 그냥 별 덩어리가 아니라 중력으로 결속된 거대한 구조물이라는 사실이었습니다.
은하는 형태에 따라 크게 세 가지로 분류됩니다. 나선은하(Spiral Galaxy)는 중심부에서 팔이 뻗어 나오는 나선 형태로, 여기서 나선은하란 은하 중심핵을 기준으로 별과 가스가 나선 모양으로 감겨 회전하는 구조를 말합니다. 타원은하(Elliptical Galaxy)는 이름 그대로 타원형이며, 오래된 별이 밀집된 경우가 많습니다. 불규칙은하(Irregular Galaxy)는 특정 형태를 갖추지 못한 은하로, 대부분 다른 은하와의 충돌이나 중력 간섭을 받은 결과로 형성됩니다.
우리은하는 이 중에서도 막대나선은하(Barred Spiral Galaxy)에 해당합니다. 막대나선은하란 은하 중심부를 가로지르는 막대 형태의 구조물이 존재하고, 그 양 끝에서 나선팔이 뻗어 나오는 형태를 의미합니다. 제가 이 개념을 처음 이해했을 때, "그럼 우리는 그 나선팔 어딘가에 있겠구나"라는 생각이 들었는데, 실제로 태양계는 우리은하의 오리온 팔이라는 작은 나선팔에 위치합니다. 은하 중심에서 약 2만 6천 광년 떨어진, 말 그대로 변두리입니다.
우리은하 안에 존재하는 별의 수만 해도 약 1,000억~4,000억 개로 추정됩니다([출처: NASA]). 그리고 그런 은하가 우주 전체에 2조 개 이상 있을 가능성이 제기됩니다. 저는 이 숫자 앞에서 한참 멍하니 앉아 있었습니다. 계산 자체가 불가능하게 느껴졌기 때문입니다.
- 나선은하: 나선팔이 있는 형태. 우리은하가 여기 포함됨
- 막대나선은하: 중심에 막대 구조가 있는 나선은하의 변형
- 타원은하: 타원형, 오래된 별이 많고 새로운 별 생성이 적음
- 불규칙은하: 특정 형태 없음, 중력 충돌이나 간섭의 결과
관측 한계와 우주 거대구조의 실체
그렇다면 우리는 이 2조 개의 은하를 실제로 볼 수 있을까요? 솔직히 말씀드리면, 그건 불가능에 가깝습니다. 우주에는 관측 가능한 한계가 존재하기 때문입니다.
관측 가능한 우주(Observable Universe)란 빅뱅 이후 약 138억 년 동안 빛이 지구에 도달할 수 있는 범위를 말합니다. 우주가 팽창하고 있기 때문에 실제 반경은 약 465억 광년으로 추정됩니다. 이 범위 너머는 빛이 아직 도달하지 못했거나, 우주 팽창 속도가 빛보다 빨라져 원리적으로 관측이 불가능합니다. 제 경험상 이 부분이 가장 머리를 복잡하게 만드는 개념이었습니다. "빛보다 빠르다"는 말이 직관적으로 받아들여지지 않았거든요.
그나마 허블 우주망원경이 등장하면서 인류는 훨씬 더 먼 은하를 관측할 수 있게 되었고, 2022년부터 본격 가동된 제임스 웹 우주망원경(JWST)은 적외선 파장을 활용해 기존 허블보다 훨씬 초기 우주의 은하를 포착하고 있습니다. 여기서 적외선 파장이란 가시광선보다 파장이 긴 빛으로, 우주 공간의 먼지나 가스를 통과하기 쉬워 더 먼 거리의 천체를 관측하는 데 유리합니다. JWST 덕분에 빅뱅 이후 3억 년도 채 지나지 않은 초기 은하까지 포착되고 있으며, 이는 기존 우주 형성 이론을 재검토하게 만드는 수준의 발견이기도 합니다([출처: ESA (유럽우주국)]).
더 나아가면 은하들이 단독으로 존재하지 않는다는 사실도 알게 됩니다. 은하는 모여서 은하단(Galaxy Cluster)을 형성하고, 여기서 은하단이란 수십에서 수천 개의 은하가 중력으로 묶인 집단을 의미합니다. 그리고 이 은하단들이 다시 뭉쳐 초은하단(Supercluster)을 이루며, 우주 전체 규모에서 보면 이 구조들이 거미줄처럼 연결된 형태를 보입니다. 이를 우주 거대구조 혹은 우주 거대 거미줄(Cosmic Web)이라고 부릅니다. 제가 이 구조를 시각화한 이미지를 처음 봤을 때, 뇌세포 구조와 너무 닮아 있어서 소름이 돋았던 기억이 납니다.
우주를 공부할수록 "우리가 알고 있는 건 정말 극히 일부"라는 생각이 반복해서 들었습니다. 그리고 동시에, 그 극히 일부를 이해하기 위해 망원경을 쏘아 올리고 데이터를 분석하는 인간이라는 존재가 제법 대단하게 느껴지기도 했습니다.
우주의 은하 수를 정확히 아는 것은 아직도 불가능합니다. 하지만 망원경 기술이 발전할수록 그 숫자는 계속 수정되고, 이해의 범위는 조금씩 넓어집니다. 처음에 우리은하가 전부인 줄 알았던 제가 이제는 은하단과 초은하단을 이야기하고 있다는 것 자체가, 공부의 묘미가 아닐까 싶습니다. 우주에 관심이 생기셨다면, JWST의 최신 관측 결과를 한번 검색해 보시길 권해드립니다. 사진 한 장만 봐도 꽤 오랫동안 멍해질 수 있습니다.