우리 은하는 얼마나 거대할까요? (은하수의 질량, 실제 무게)

도시의 불빛에서 벗어나 하늘을 올려다볼 때 우리는 밤하늘의 경이로움을 볼 수 있습니다. 이 경이로운 광경 중 하나인 밝고 흐린 별들의 띠는 은하계를 구성합니다. 우리 은하계의 고향은 광대하고 아름답지만, 그것에 관한 많은 미스터리는 여전히 남아있습니다. 수십 년에 걸친 시도에도 불구하고 천문학자들은 아직 우리 은하의 무게가 얼마나 되는지를 정확히 파악하지 못했으며, "대략 태양 질량의 7천억 배에서 2조 배에 달할 것"이라는 추정값만을 내놓고 있습니다. 실제로 은하계에 살고 있는 동안 은하계의 무게를 측정하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 투산에 있는 애리조나 대학의 천문학자 엑타 파텔은 "이는 미국 인구에 대한 인구 조사를 하려고 하지만 인터넷을 사용할 수 없고, 살고 있는 도시를 떠날 수 없는 것과 같다"라며 예시를 들었습니다. 어느 누구도 은하수를 우주 규모에 맞춰 놓고 그 결과를 읽을 수는 없습니다.

 

문제는 은하 질량의 대부분이 보이지 않는다는 것, 어떠한 종류의 빛도 발산하지 않는 수수께끼 물질인 암흑 물질은 우리 은하수의 약 85%를 구성합니다. 따라서 단순히 우리 은하계의 별 수를 세는 것만으로는 그다지 멀리 갈 수 없습니다. 연구자들은 일반적으로 일부 천체의 궤도를 관하며, 이 방법은 300여 년 전 아이작 뉴턴이 도출한 중력 방정식을 기반으로 합니다. 해당 방정식은 더 작은 물체가 더 큰 물체 주위를 회전하는 속도, 거리가 더 큰 물체의 질량과 관련되어 있음을 시사합니다. 지난 2017년 연구에서 사용된 한 가지 방법은 행성이 별 주위를 공전하는 것처럼 은하수 주위를 도는 수십만 광년 떨어진 작은 위성 은하를 관찰하는 것이었습니다. 하지만 이 위성 은하에는 궤도 길이는 수십억 년이라는 문제가 있었습니다. 이는 쉽게 말해 몇 년이 지나면 거의 움직이지 않을 것이며, 연구자들이 궤도 속도를 쉽게 결정할 수 없다는 것을 의미합니다.

 

이듬해인 2018년 6월 발표된 연구에서 파텔과 동료들은 은하계의 무게를 측정하는 새로운 방법을 시도했습니다. 이들은 우리 우주의 다양한 측면을 재현할 수 있는 가상 우주의 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션을 살펴보고 더 큰 은하계를 공전하는 작은 은하계의 예를 찾고자 했습니다. 연구원들은 시뮬레이션 된 위성 은하 중 약 9만 개를 공전하는 9개 실제 은하계에 대한 데이터와 비교했습니다. 궤도 특성이 실제 위성 은하와 가장 일치하는 것을 선택한 연구팀은 돌아다니는 시뮬레이션 은하의 질량을 조사했습니다. 이것은 그들에게 우리 은하의 실제 질량에 대한 꽤 좋은 추정치를 제공했으며, 그 질량은 태양 질량의 9,600억 배에 달했습니다. 파텔은 "이 결과는 이전에 이뤄진 대부분 연구의 중간 선상에 있지만, 여전히 더 정밀할 여지가 있다"라고 짚었습니다. 파텔은 이것이 유럽 우주국의 가이아 위성에서 나온 것일 수 있다고 봤습니다. 실제로 유럽 우주국은 은하수를 공전하는 30개의 희미한 왜성 은하의 궤도 특성에 대해 매우 좋은 측정을 제공했습니다. 파텔은 "질량의 측정을 미세 조정하기 위해 우주 시뮬레이션과 함께 이 데이터를 사용해야 한다"라고 강조했습니다.

 

최근 나사의 허블 우주 망원경과 유럽 우주국의 가이아 위성은 구상성단, 즉 은하계 중심을 공전하는 별 섬에 대한 관측을 결합해 은하수의 무게가 대략 1조 5천억 태양 질량에 달한다는 사실을 발견했습니다. 이는 지금까지 나온 것 중 가장 정확한 수치일 수 있습니다. 파텔은 "은하의 질량을 아는 것은 천문학자들에게 많은 도움이 될 것"이라고 내다봤습니다. 위성은하의 궤도는 은하수의 질량에 의존하기 때문에 은하의 질량을 알게 된다면, 천문학자들은 위성은하의 궤도를 더 잘 계산할 수 있을 것입니다. 더 무거운 은하에는 더 많은 위성이 공전하고 있으며, 지금까지 망원경은 은하수 주위를 도는 약 50개의 은하를 발견했습니다. 다만 우리는 은하의 무게가 얼마나 되는지 정확히 알지 못하기 때문에 과학자들은 얼마나 많은 위성 은하를 발견해야 할지 명확히 확신하기 어렵습니다. 아울러 은하수의 실제 무게는 질량의 어느 정도가 암흑 물질과 일반 물질인지를 아는 데 도움이 될 것입니다. 천문학자들은 향후 더 많은 연구와 더 나은 데이터를 통해 파악하기 어려운 미지의 사실을 밝혀내기를 바라고 있습니다. 파텔은 "향후 10년에서 20년 안에 우리는 더 나은 답을 얻게 될 것"이라고 말을 얹었습니다.