우주 거대 구조
1. 개요
Large Scale Structure
우주에 분포하는 은하들이 이루는 거시적인 구조. 관측된 은하들의 위치를 기록하여 3차원 지도를 그려 보면, 은하들의 분포가 거미줄[2]과 비슷한 형태를 이루고 있는 것을 볼 수 있는데, 은하들이 거의 없는 빈 공간인 거시공동(Void) 및 이것의 외곽을 따라 은하들이 길게 이어진 필라멘트(Filament) 구조가 존재하고, 이 필라멘트 가닥들이 교차하는 지점에는 은하단 혹은 초은하단이 위치해 있다
2. 상세
우주에서 기본적으로 은하들의 분포가 매우 불균일하다는 것은 외부은하의 발견 이후부터 알려져 있었다. 은하단이나 초은하단과 같은 은하의 밀도가 높은 구역이 있는 반면, 은하가 거의 발견되지 않는 구역도 있었다. 처녀자리 은하단의 경우 메시에[3] 시절부터 알려져 있었고, 섀플리는 자신의 이름을 딴 섀플리 초은하단을 발견하기도 했다. 하지만 구체적인 은하의 3차원 공간분포에 대한 본격적인 조사가 이루어진 것은 1980년대 후반이었다. CfA 적색편이 서베이에서 비로소 우주 거대 구조의 형체를 식별할 만큼의 볼륨을 가진 은하 지도가 작성되기 시작했으며, 후속연구로서 이루어진 슬론 디지털 스카이 서베이를 통해 우리 은하 주변의 은하단과 초은하단, 장성들의 분포가 불균일할 뿐만 아니라 거미줄과 비슷한 특이한 형태를 띤다는 것이 분명해졌다.
이러한 거미줄 구조는 빅뱅 이후의 초기에 균일하게 퍼져 있던 암흑물질과 물질들이 자체 중력에 의해 응집되어 형성되는 구조와 일치한다는 것이 시뮬레이션을 통해 밝혀졌다. 즉, 암흑물질이 모여 암흑 헤일로를 이루고 그 중심부에는 일반 물질로 이루어진 가스가 응축되면서 은하들이 형성되었고, 그 결과로 은하들이 자연스럽게 거미줄 비슷한 암흑물질의 분포를 따라가게 되었다는 것. 반면에 뜨거운 암흑물질[4]의 존재를 가정하면 너무 빠른 속도 때문에 이러한 구조를 이루는 것이 불가능하다는 것이 밝혀져 차가운 암흑물질 가설에 더 힘을 실리게 되었다.
3. 거대가락(Filament)
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우리 은하 근방의 초은하단과 공동, 장성이다. 중심에 가까이 있는 건 우리 은하가 속한 처녀자리 초은하단
은하 필라멘트(Galaxy filament)라고도 부른다. 은하 필라멘트는 보이드와 보이드 사이에 위치하며 기다란 실가닥 형태로 구조를 이루고 있다. 은하뿐만 아니라 보이지 않는 암흑물질의 분포 또한 필라멘트 구조의 분포를 따르고 있다.
우주배경복사 당시의 밀도의 불균일이 중력에 의해 성장하여 자연스럽게 만들어진 3차원 구조이다. 실제 관측상으로도, 컴퓨터를 이용한 우주 모델 시뮬레이션으로도, 은하들은 긴 실들이 모인 그물망 같은 형태로 모여 있다.[5] 이를 은하 필라멘트라고 한다.
거대가락은 은하단에 새로운 은하들과 가스를 보충하는 통로와도 같은 역할을 하며, 우주가 진화해감에 따라 점점 가늘어지며 가닥의 개수 또한 감소한다. 먼 미래에는 초은하단으로 전부 흡수되어 사라질 것으로 보인다.
우리 은하 역시 라니아케아 초은하단의 변방에 있는 거대가락 중 하나에 속해 있을 것으로 보인다.
3.1. 장성(Great Wall)
특히 거대한 규모의 필라멘트가 길게 늘어져 있는 경우를 장성(長城, Great wall)이라고 한다. 장성은 은하들의 군집 단위 중 가장 큰 단위로 '''초은하단의 군집체다.'''
이 구조물들은 현재까지 우주에서 발견된 구조물 중 가장 거대한데, '슬론 장성'은 '''13억 광년''', 퀘이사들의 필라멘트[6]인 Huge-LQG는 '''40억 광년''', 그리고 2016년 기준 가장 큰 구조물로 알려진 '헤라클레스자리-북쪽왕관자리 장성'은 '''100억 광년'''이다. 이는 관측 가능한 우주 직경의 약 11%에 해당하는 엄청난 크기이며, 태양의 약 10^19(1000경)배에 달하는 질량을 가지고 있다.
4. 거시공동(Void)
우주 공간에서 수억 광년 스케일로 텅 빈 것처럼 보이는 구역. 쉽게 말해 초은하단과 거대가락을 제외한 구역을 말한다. 은하의 밀도가 극히 낮으며 암흑물질 또한 거의 존재하지 않을 것으로 보인다. 이 구역을 거시공동, 보이드 공간 등으로도 부른다.
크기는 3천만 광년 ~ 3억 광년 정도이다. 현재까지 발견된 것 중 가장 큰 보이드로 알려져 있었던 것은 사냥개자리 초공동으로 지름이 '''13억 광년'''에 이른다. 다만 우리 은하를 포함한 국부 은하군이 KBC 공동이라는 지름 20억 광년의 초대형 보이드에 속해 있다는 연구 결과도 있다.[7] 어떤 이유로 이렇게 거대한 공간이 생겼는지는 학계에서도 논란이 있다. 초기 우주의 밀도가 불균일하여 거대 가락이 생성되면서, 거대공동이 자연스럽게 드러난 것이라는 설도 있다.
우리 은하에서 가장 가까이 있는 통칭 국부 공동은 적경 18시 38분, 적위 +18.0°에 위치하고 있으며 크기가 직경 2억광년에 달한다고 한다. 이 공동은 1987년에 발견되었으며, 지금까지 관측한 결과 이 공동 안에서 작게나마 은하(통칭: Void galaxy, 거시공동은하)가 2개 이상[8] 발견되고 외부 공동에서도 속속 발견되어 이 안에도 은하들이 소수나마 존재할 수 있음이 밝혀졌고,[9] 여타 은하의 간섭을 오랜 세월 받지 않았을 것으로 추정되어 중요한 연구 소재로도 각광받고 있다.
그리고 개중 규모가 큰 MCG+01-02-015의 경우, 그 규모답게 어딘가에 생명체가 발현해 존재할 가능성도 충분히 있을 법하나, 우리의 망원경 발달사와 더불어 은하의 개념도 바뀐 걸 고려하면 설령 존재해도 여기에서 외부 은하를 인지하기까지 에드윈 허블 같은 천문학자가 획기적인 입증을 하거나 혹은 우주로 나아가기 위해 이런저런 조사와 개발을 하기 전까지는 모를 가능성이 높다.[10]
5. 초은하단
은하단들이 여러개 모여 만드는 구조로, 그 질량은 보통 태양의 1000조배~1경 배 정도 된다. 말이 초은하단이지 사실은 은하단들 간의 미약한 중력으로 인해 국소적으로 질량이 밀집된 구역에 지나지 않는다. 실제로도 초은하단은 자체 중력만으로 우주 팽창을 이겨내지 못하기 때문에 우주가 진화할수록 점점 느슨해지고 있으며 먼 미래에는 개개 은하단 단위로 뿔뿔이 흩어져 버릴 것으로 예측된다. 대표적으로 우리 은하가 속한 라니아케아 초은하단이 있다.
5.1. 은하단
은하들이 모여 만드는 구조로, 보통 수백~수천 개의 은하들이 밀집되어 있다. 자세한 설명은 문서 참조.
5.2. 은하군
은하단보다 작은 은하들의 모임으로 보통 수십~백여 개의 은하들이 모여 있다. 우리 은하가 속한 국부 은하군이 여기에 속한다. 은하군 문서 참조.
6. 신의 손가락
실제로 존재하는 것이 아니고 은하까지의 거리 측정 과정에서 존재하는 필연적인 오차에 의해 생겨난 부작용이다.
관측된 은하들의 적색편이를 바탕으로 그려진 우주 지도를 자세히 들여다보면 은하들의 분포 양상이 지구 방향으로 길게 늘어져 있는 것을 확인할 수 있는데, 이를 신의 손가락 효과(Finger of God effect)라고 한다. 당연히 실제 은하가 지구 방향으로 정렬되어 있는 것은 아니고 사실은 은하들의 특이운동에 의해 발생하는 현상이다.
은하가 적색편이를 보이게 되는 원인은 크게 두 가지로 나눌수 있는데, 첫 번째는 허블 법칙에 해당하는 우주론적 적색편이이고 두 번째는 은하 개개의 시선 방향 운동에 의해 발생하는 도플러 효과에 의한 것이다. 예를 들어 만일 은하가 멀어지는 방향으로 70km/s의 특이 운동을 하고 있다면 이 은하는 실제 거리보다 1Mpc (약 300만 광년) 더 멀리 떨어진 것으로 관측된다. 수억 광년 이상 멀리 떨어진 은하까지의 거리를 측정하는 수단은 허블 법칙을 제외하면 극히 제한적이기 때문에 얼마만큼의 적색편이가 실제 우주 팽창에 의해 발생한 것인지 밝히는 것은 매우 어렵다.
이 때문에 은하들의 3차원 분포를 국소적 영역에 대해서 측정하는 것은 매우 어렵다.
[1] 메가파섹으로 읽는다. 즉 100만 파섹.[2] 이러한 구조 덕에 Cosmic Web이란 명칭도 자주 쓰인다.[3] 18세기 천문학자[4] 빛의 속도에 가깝게 움직이는 입자로 이루어진 암흑물질, 대표적인 후보로 중성미자가 있었다.[5] 은하가 실의 형태라고 하면 감이 안 올 수도 있다. 이 실이 수억에서 수십억 광년에 이른다.[6] 현재 초거대퀘이사군으로 명명되어 있다.[7] 다만 이게 그리 특별한 의미를 가지는 건 아니고, 국부 은하군, 라니아케아 초은하단 일부가 속해 있다는 얘기다. 이는 그냥 '''"우주 공간에 라니아케아 초은하단이 있고 우리 은하는 그 끝자락에 있다."''' 정도로 설명할 수 있다. 우주 구조 자체가 거대한 보이드 안에 필라멘트가 주욱 뻗어 있고 이를 경계선으로 보이드를 자잘하게 나누는 식이기 때문.[8] 쌍 은하인 Pisces A,B 및 NGC 7077[9] 다만 현존하는 모든 공동들이 저마다 은하를 품고 있으리란 법칙은 없기에 큰 기대를 품지 않는 것이 좋다.[10] 사실 허블 망원경이 해당 은하를 찍었듯, 기술만 충분하다면 여기에서도 외부 은하를 볼 수는 있다. 하지만 가뜩이나 희미한 빛이 대양 속 섬처럼 외떨어진 은하에 도달하면서 더더욱 희미해질 것이고 이조차도 은하수 내의 먼지와 천체 불빛에 가려지기에 여건은 지구보다 더 안 좋다.