일반지구과학 및 실습

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일반지구과학 및 실습 II

9 주 차 우 리 은 하

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2. 우리은하의 구조

우리은하의 구조에 대해 무엇을 알고

있나요?

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• 우리 은하의 크기에 대한 연구가 잘 진행되고 3

있는 동안, 나선성운이 사실은 또하나의 섬우주라고 하는 사실이 분명해졌다

• 외부은하의 존재

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우 리 은 하 구 성 성 분

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• 우리은하는 3개의 확실히 구분되는 성분으로 구성되어 있다

• 팽대부(bulge): 중심에 나이든 별들이 있다

• 원반(disk): 별들과 가스의 원반

• 헤일로 (halo): 구상성단들이 있다

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우 리 은 하 를 위 에 서 본 모 습

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• 막대나선은하에 나선팔이 보인다

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• 우리은하 크기 6

• 반경 25 kpc (75,000광년)

• 태양은 중심에서 절반 약간 밖에 놓여있다

• 우리은하의 원반은 은하중심에서 바깥으로 퍼져나가는 많은 나선팔을 지닌 소용돌이 처럼 보인다

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• 우리은하의 원반:

• 별, 산개성단, 거의 모든 은하의 가스와 먼저

• 우리은하의 대부분의 별탄생이 일어나는 곳

• 광도가 큰 파랑색의 질량이 큰 별들에 의해 빛나고 있다

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• 원반:

• 얇지만 정확한 너비를 정의하기는 어렵다

• 분명한 경계가 없다

• 태양과 같은 별들은 중심평면 위아래 500pc내에 놓여있다

• 가장 젊은 별들은 50pc내에 놓여있다

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• 가스와 티끌

• 우리은하 총질량의 15%

• 가스의 90%가 수소

• 나머지는 대부분 헬륨

• ISM밀도

• 보통 1 atom cm ^-3이하

• 밀도가 큰 영역:

• 1000 – 1,000,000

• 수소원자가 분자 형성가능

• 분자운이 형성

• 태양질량의 수 배에서 백만배가 넘는 구름들을 포함하고 있다

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• 초신성 폭발과 뜨거운 별들의 항성풍들이 뜨거운 가스이 엄청난 거품(bubble)을 10

형성하게 한다

• 은하의 원반밖으로 밀쳐낼 수 있다

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팽 대 부 ( b u l g e )

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• 은하 중심을 둘러싸고 있는 별들의 밀도높은 성운

• 반경: 약 2kpc

• 약간 편평해져 있다

• 작은 양의 가스와 티끌을 보유하고 있어 별탄생도 약하게 일어나고 있다

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은 하 구 조

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• 별의 총 개수:

• 2000억 개 정도

• 총질량

• 태양질량의 1조배

• 10 ¹² M _⊙

은하팽대부

태양

중심 블랙홀

분자운

나선팔

별 탄생 영역

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은 하 회 전

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• 우리은하는 회전하지만 강체처럼 회전하지는 않는다

• 태양의 은하중심을 회전하는데 2억 5000만년 걸린다

• 중심에 가까운 별일수록 시간이 덜걸린다

• 중심에서 먼 별일수록 더 오래 걸린다

• 차등 회전

^:

• 안쪽에 있는 천체들이 바깥쪽에 있는 천체보다 더 빨리 공전한다

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회 전 속 도 곡 선

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• 은하중심에서 서로 다른 거리에 있는 별들의 공전속도를 측정

• 우리은하의 질량프로필을 유도가능

• 회전속도곡선

• 중심에서 거리가 멀어질 수록 하강하는 것이 아니라 증가한다

• 은하의 질량이 중심으로부터 멀어질수록 증가한다는 것을 의미

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암 흑 물 질 문 제

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• 은하회전속도곡선의 관측결과

• 관측되는 별과 성간가스의 질량의 합보다 여려배 더 크다

• 이렇게 질량을 증가시키는 물질이 무엇인지 불분명

• 우리가 별들과 가스궤도에 대한 그런 물질의 중력효과를 관측할 수 있기때문에 그런 물질의 존재를 인식하고 있을 뿐이다

• 암흑물질 문제

• 우리은하의 헤일로는 신비스러운 암흑물질로 채워져있다

• 어떤 형태의 물질들이 어떤 물질이고 화학적 조성비가 어떤지 전혀 모른다

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암 흑 물 질 은 무 엇 으 로 구 성 되 어 있 는 가 ?

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• 2개의 가능성:

• Massive Compact Halo Objects (MACHOs)

• 보통물질로 구성된 “보이지 않는” 천체들

• 갈색왜성, 행성, 블랙홀

• Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs)

• 이색적인 물질들

• 중성미자 또는 아직 발견되지않은 아원자입자들

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M A C H O s 찾 기

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• 천문학자들은 여러가지 방법으로 MACHOs들을 찾는 작업을 수행해왔다

• 미시중력렌즈 현상을 찾는다

• 팽대부에 있는 별에서 오는 빛이

MACHOs 앞을 지나가는 때 증폭된다

• 허블우주망원경을 이용하여 어두운 별들을 관측해낸다

• MACHOs들은 우리은하의 암흑물질에 아주 조금 만큼만 기여한다는 것이 밝혀졌다

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나 선 팔

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• 은하 안에 있는 우리가 어떻게 우리은하의 모습을 알아낼 수 있을까?

• 젊은 성단의 분포는 은하의 모습을 알려준다

• 젊은 성단의 위치를 관측해본다

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중 성 수 소 추 적

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• 전파망원경을 이용하여 수소가스가 어디에 존재하고 있는지 추적할 수 있다

• 수소가스는 21cm(1420MHz)의 전파를 방출한다

• 전자의 스핀이 뒤집어질 때 방출

• 티끌에 의해 흡수되지 않기때문에 멀리있는 수소에서 나오는 전파도 관측가능

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우 리 은 하 의 중 성 수 소 지 도

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• 중성수소는 우리은하 전역에서 나선구조를 보이며 분포되어 있다

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우 리 은 하 의 중 성 수 소 지 도

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• 우리은하가 강체회전을 하지 않기때문에 나선패턴을 관측하는 것은 아주 놀라운 일이다

• 몇번의 회전 후에 나선패턴은 더 단단하게 감겨진다

• 나선패턴은 한번이나 두번회전하면 풀어지게 된다

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우 리 은 하 의 중 성 수 소 지 도

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우 리 은 하 의 중 성 수 소 지 도

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우 리 은 하 의 중 성 수 소 지 도

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Wr a p p i n g p r o b l e m

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• 태양은 태어난 후 은하를 20번정도 회전했다

• 나선팔들이 이렇게 여러 번 우리은하주위를 돌았더라면 벌써 감겨버렸을 것이다

• 랩으로 둘러싸여버린것처럼 되어 버렸을텐데 그렇게 되지 않았다

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나 선 팔 의 생 존

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• 나선 패턴은 어떻게 생존했을까?

• 나선 팔은 물속을 지나가는 파동처럼 별들을 통과하는 패턴이다

• 별들이 이 나선팔을 통과해서 움직이는 패턴이다

• 예

• 천천히 운행하는 트럭에 가까이 가는 자동차들의 무리들을 보자

• 무리의 매듭은 항상 존재하고 또 매듭은 움직이고 있다, 다만 자동차들에 대한 속력은 서로 다르다

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밀 도 파

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• 나선 팔은 더큰 밀도를 보이는 영역들이다: 밀도파

• 젊은 별들은 나선팔에서 탄생한다

• 밀도파가 가스들을 압축

• 별탄생을 야기

• 젊은 별들이 나이가 들면서

나선패턴의 바깥쪽으로 움직인다

• 패턴은 회전하지만 별들이 회전하는 속도와 아주 다른 속도로 회전한다

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은 하 형 태

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• 은하들이 강체회전, 차등회전 그리고 밀도파이론 등에 의해 예측된 궤도들의 모습

강체회전 차등회전 밀도파이론

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중 력 상 호 작 용

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• 몇몇 경우는 나선팔이 동반은하와의 중력상호작용에 의해 형성되는 것 같다

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• 우리은하의 중심은 두꺼운 성간 가스와 티끌구름에 의해 가로막혀 있다 31

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• 전파관측결과는 그러나 아주 다르며 신비스러운 모습을 보여준다

• 은하중심에서 새롭게 발견된 천체들

• 초신성잔해

• 이상한 호의 모습

• 플라즈마의 침투

• 우리은하의 중심 오른쪽에서 아주 밝은 전파원

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• 켁망원경

• 지구대기의 왜곡을

보정하기 위해 레이져빔을 이용

• 약 25000광년 떨어진 은하중심에서 태양계의 7배정도 분리되어 있는 두개의 천체를 분리하여 관측

은 하 중 심 관 측

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• 아주 정확한 적외선 이미지 관측을 이용하여 별들의 위치를 추적

• Sgr A에 블랙홀이 존재한다는 강력한 증거를 발견

블 랙 홀 의 존 재 확 인

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• 별들이 궤도운동을 하고 있다 37

• 태양질량의 260만배되는 밀집천체주위를 돌고 있는 것으로 보인다

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• 북반구 여름인 2018년 5월에 SO-2 별이 블랙홀에 가장 근접했다 38

• 100AU근접함

• 사건 지평선보다 1000배정도 떨어진 곳

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• 블랙홀은 지금은 상당히 조용한 것처럼 보인다 39

• 그러나 수년전에 페르미 감마선 위성은 우리은하평면 위와 아래로 퍼져있는 2개의 거대한 감마선 거품을 발견했다

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• 중심 블랙홀의 최근 활동의 결과일 수 있다 40

• 과거 수백만년전에 일어났던 이벤트 같다