일반지구과학 및 실습 2

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충북대학교 천문우주학과 김용기교수

별들이 우주에서 어떻게 무리를 이루는가?

360도 파노라마를 찍을수 있는 특수렌즈 사진

(2)

(3)

망원경으로 각 방향의 별을 세어서

우리 은하는 원반 모양이다 태양은 원반중심부근에 있다

• 고대 : 엎질러진 우유가 흐른 것-milky way

• BC 400년 Democritos : 은하수는 수많은 별들의 집단이라 예측

• 1610년 Galileo

• 1785년 William Herschel

• 1917년 Harlow Shapley

원반 위아래 구상성단 93개의 거리와 방향을 이용하여

그 구상성단들은 구형 안에 존재한다 성단중심은 궁수자리 방향이다 구상성단 중심이 곧 우리은하의 중심이다

대담한 가정!!!

최초로 망원경 관측 은하수는 수많은 별집단

망원경으로 각 방향의 별을 세어서

우리 은하는 원반 모양이다 태양은 원반중심부근에 있다

• 고대 : 엎질러진 우유가 흐른 것-milky way

• BC 400년 Democritos : 은하수는 수많은 별들의 집단이라 예측

• 1610년 Galileo

• 1785년 William Herschel

• 1917년 Harlow Shapley

원반 위아래 구상성단 93개의 거리와 방향을 이용하여

그 구상성단들은 구형 안에 존재한다 성단중심은 궁수자리 방향이다 구상성단 중심이 곧 우리은하의 중심이다 최초로 망원경 관측 은하수는 수많은 별집단

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• 그 이후 알아낸 사실

전파와 적외선 복사

얇게 찌부러진 구형으로 회전하는 원반 직경 100,000LY, 두께 1000LY Cobe위성이 찍은 근적외선 영상

우리은하의 중심을 둘러싼 중앙팽대부와 늙은 별들 붉은영역: 티끌이 더 많은 영역 파장 21cm 전파선

차가운 수소 : 은하원반 전체에 분포 두께 400LY, 중심부터 80,000LY 성간티끌 : 두께 400LY, 나선팔 ( ~태양궤도까지 ) 거대 분자운 : 나선 팔 → 젊은 별 형성

21cm전파관측으로 보이는 우리은하 수소분포 ( 검정과 흑청색: 수소가 적은 영역

적색과 백색 : 수소가 많은 영역 )

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• 우리은하의 구조

Halo 직경이 10만~30만LY

구상성단들로 구성

Nuclear bulge 3000LY 이내, 막대모양

늙은 별로 구성

4번째 팔은 이름이 없다 15000LY

Disk 직경이 10만LY 티끌,가스,젊은 별들로 구성

NASA's Spitzer Space Telescope를 사용하여 상상한 우리은하 모식도(2008.10)

• 중심부의 막대 끝 에 큰 나선팔 2개 가 감겨 있다.

• Major arms

① Scutum-Centaurus

② Perseus

• Minor arms

① Norma

② Sagittarius

• Orion arms에 태양이 있다.

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NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope로 상상한 우리은하 구조(2011.09)

• 남북으로 2만5천LY 펼쳐진 거품방울로 약10만개의 초신성 폭발과 맞먹음

• 거대블랙홀에서 분출? 별의 탄생,죽음에서 공급?

• 은하중심 안쪽구조

10LY 25LY~

0.5-1.5LY

- 은하중심에 대하여 회전 - 각각의 분자운은 난류운동, 충돌 - 고속의 분자운을 잡아주는 질량

이 있을 것

- Kepler 3법칙으로부터의 질량

- 이 안에는 무엇이 있을까?

2~ 5ⅹ10⁶M_⊙

(7)

• 고리 안쪽

은하중심 10LY내의 전파영상

은하중심 6LY의 적외선영상 - 뜨겁고 이온화된 가스가

중심으로 낙하 - 그 질량은 100M_⊙

- 대략 백만 개의 별들이 빽빽하다.

- 그러나 이들의 질량합도 부족하다.

• 그렇다면 블랙홀?

• 현존 망원경으로는 궤도속도를 구할 수 없음

• 간접적인 증거

－ R_⊙, 300만M_⊙의 크기와 질량을 가짐

－ 모임원반으로 둘러싸임

(소용돌이치는 물질로 이루어져 있으며, 태양계 행성궤도보다 크지 않음)

－ 궁수자리 A (강력한 전파원)

① 원반 물질이 사건의 지평선 안으로 들어갈 때 전파 방출

→ VLA 전파망원경으로 측정 →목성궤도(10AU)만 한 크기

② 이웃 별들의 중력에 움직이지 않음 → 엄청나게 무겁다

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• 블랙홀이라면 그 엄청난 질량은 어디에서 왔을까?

• 아직 확실한 규명은 되지 않은 상태

• 그러나 블랙홀의 존재가능성은 우리은하 뿐 아니라 외부은하와 퀘이사 등의 중심에도 존재한다는 증거들이 있음

－ 은하역사의 초기부터 존재하던, 질량이 매우 큰 별 하나를 가정

→ 그 큰 별은 빠르게 생애를 마치고 죽으면서 사건의 지평선 안으로 붕괴

→ 가스, 먼지, 다른 별들이 블랙홀로 서서히 빨려 들어감

→ 1000년에 1M_⊙만큼씩, 50억년 동안 은하중심으로 물질이 낙하

→ 수백만 태양질량의 블랙홀이 형성 가능함

(9)

• 1944년 Walter Baade : 안드로메다 은하에서 두 종족 구별

종족 Ⅰ 종족 Ⅱ

나선팔에 있는 밝고 푸른 별 Halo, 핵팽대부, 구상성단을 구성하는 별들

• 현재의 종족 구별

종족 Ⅰ 종족 Ⅱ

위치 나선팔 은하전반, 핵팽대부에 집중

운동 은하중심주위를 원궤도로 운동 은하원반 높은 곳에서 Halo속으로 타원궤도 운동

구성 밝은 초거성, 높은 광도의 주계열성 성간물질, 분자운

행성상 성운, RR Lyrae형별 구상성단

나이 ~100억년 정도

(태양 포함)

110억년~

(초기 탄생한 늙은 별들) 중원소

함량 전체 항성질량의 1~4% 태양함량의 1/10~1/100 별이 죽으면→그 원소가 원료물질로 되어

→새로운 세대의 별 탄생→시간이 지나면 중원소가 많아짐 : 별들의 탄생시기를 알 수 있음

태양과 비슷 중원소 부족

별형성이 느려 초신성 폭발이 적고, 중력이 작아 가스를 붙잡지 못해서

질량이 큰 제1세대 별들의 초신성 폭발로 중원소가 풍부

실제관측 소마젤란 은하의 가장 젊은 별 핵팽대부의 별들

(10)

• Kepler 제 3 법칙으로 잰 은하의 질량

• 문제점

① 태양의 궤도가 원일 것이다.

② 우리 은하가 대체로 구형일 것이다.

③ 은하 중심~태양 궤도까지 모든 질량이 집중되었을 것이다.

~ 10¹¹M_⊙ M_은하+ M_⊙= a³/p²

= (1.6 ⅹ10⁹)³/(2.25ⅹ10⁸)² 26,000LY→AU 1은하년

– 멀리 있는 구상성단과 RR Lyrae의 궤도속도 – 반경 150,000LY안은 10¹²M_⊙ – 눈에 보이지 않는 물질?

CO의 궤도속력 이론상

실제

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• 암흑 물질이란?

– 오로지 중력으로만 알 수 있는 물질

– 우주를 구성하는 총 물질의 90% 이상을 차지 – 은하를 둘러싼 거대한 구에 분포

① 블랙홀이나

② 늙은 중성자별?

X선?

초신성 폭발?

중원소 함량?

③ 초기세대의 별( 갈색왜성, 백색왜성), 행성

④ ~ 10⁶M_⊙넘는 거대 블랙홀

⑤ 지구에서 탐지되지 않는 신종의 아원자 입자들

X

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• 나선구조의 형성과 유지

은하의 차등회전

물질이 나선형태로

늘어져서 나선구조 더욱 감겨져

형태가 없어짐

?

밀도파 이론

나선팔 영역이 고밀도 영역 → 파동이 발생

→ 개별적 별, 가스구름이 팔 넘나들다가 부딪힘

→ 충돌에 의한 충격파 발생 → 압축되어 별 탄생

→ 나선팔 안쪽경계에서 티끌구름, 젊은 별 많음 (물질이 나선팔을 통과하는데 10⁷년이 걸림)

(13)

• 단일붕괴모형

• 설명되지 못하는 사실들

－ 원시은하구름은 구형 이라고 가정

－ 150억년 전에 은하가 형성되었다고 가정

① 구상성단들 나이차이가 최대 30억년

→ 성간 물질이 붕괴하여 은하원반을 형성하기 이전에 모두 형성된 것은 아님

② 역회전 구상성단

→ 다른 구상성단보다 20억~30억년 젊고 은하중심에서 떨어져 있음 붕괴

붕괴이전 별은 Halo

회전원반 형성 별 형성

(14)

• 계층적 모형

- 우리 은하가 다른 은하와의 상호작용과 충돌에 의해 영향을 받는다

궁수자리 왜소은하

① 우리은하의 중력으로 해체되어 매우 길쭉한 형태

② 1억년 후에는 그 은하의 별들을 포획, 우리은하의 Halo에 널리 퍼지게 됨

대소 마젤란 은하

① 나선 운동을 하면서 우리에게 접근하고 있음

② 언젠가는 우리은하와 병합될 것임

그 밖의 8개 소형 위성은하

① 몇 개는 우리은하에 접근함에 따라 마젤란 은하에서 분리된 것으로 보임

• 계층적 모형

단일붕괴

접근하는 위성은하

포획

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－ 미국 캘리포니아공대 스 피처과학센터 칼 그릴메 어 연구원이 ‘슬론 디지 털 스카이 서베이(SDSS)’

자료를 분석한 결과(2007)

－ 지구에서 1만3천 ~13만 광 년 떨어진 거리에서 발견

－ 우리 은하가 잡아먹은 왜 소은하의 흔적

－ 나머지 2개의 흐름은 원시 구상성단의 흔적

• 2010. 9. 15. Nature <University of California, Irvine>

― 궁수자리 왜소은하는 지난 20억년 동안 우리은하와 2번 충돌

→ ①번 충돌 : 왜소은하 암흑물질의 75% 가지고 옴

→ ②번 충돌 : 왜소은하의 별을 가지고 옴

→ 별들이 긴 고리 모양 형성 → 나선팔 형성

→ 중심막대의 형성에도 영향

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