연구대상으로 나눈 천문학의 세부분야(3)

은하의 형태적 분류

5. 외부은하 천문학
우리은하 외부의 천체와 현상을 연구하는 외부은하 천문학은 은하의 형성과 진화 외부은하의 형태와 분류, 활동성 은하, 은하단, 은하군 그리고 이것들로 구성된 우주의 거대 구조를 연구하는 학문입니다. 은하의 대부분은 모양에 따라 타원은하, 나선은하, 불규칙 은하로 구분됩니다. 타원은하는 천체에서 관측되는 모습이 타원형을 이루는 은하입니다. 타원은하는 성간 물질이 적고 새로 탄생하는 별들이 적어 대부분 나이 많은 별들로 구성되며 타원은하의 별들의 궤도는 무작위적인 궤도를 갖는다는 특징이 있습니다. 타원은하는 은하단의 중심부에서 주로 관측되며 여러 은하가 통합되어 생성되었다고 알려져 있습니다. 나선은하는 납작한 원반의 모양을 하고 있으며 회전하고 있습니다. 나선은하의 중심부에는 막대 모양의 팽대부가 존재하며 성간 먼지를 많이 포함하고 있는 나선 모양의 팔들로 구성되어 있습니다. 나선팔의 성간 먼지로 인해 주로 별들이 탄생하는 지역은 푸른색의 빛을 띠고 있습니다. 나선은하들은 대체로 나이가 많은 별들로 구성된 헤일로에 둘러싸여 있으며 이러한 나선은하의 대표적인 예로는 우리은하와 안드로메다은하가 존재합니다. 불규칙 은하는 타원은하와 나선은하로는 설명할 수 없는 일정한 모양을 갖지 않는 은하로 다른 은하와의 상호작용으로 인해 불규칙한 모양이 생성됩니다.
활동성 은하는 은하의 중심의 커다란 블랙홀을 에너지원으로 하는 은하를 활동성 은하라고 합니다. 활동성 은하와 다른 은하들의 차이점은 다른 은하들은 방출하는 에너지의 상당 부분이 별, 먼지, 성간 물질로 이루어져 있지만 활동성 은하는 블랙홀을 에너지원으로 한다는 것입니다. 활동은하핵은 응축 원반을 가진 무거운 블랙홀(Super massive black hole)이라고 규정하고 있습니다. 이러한 활동은하에는 우주에서 가장 밝은 천체 중 하나인 퀘이사(Quasar), 보통의 은하와는 달리 전파에서 매우 강한 빛을 내는 전파은하(radio galaxy) 등이 존재합니다.
이러한 각각의 은하들이 모여서 구성되는 구조를 우주의 거대 구조라고 합니다. 우주의 거대 구조는 규모에 따라서 계층적으로 규정하는데 은하들의 집합체를 은하군이라고 하고, 은하 군을 모아서 은하단이라고 하며, 은하단이 모여서 초은하단이라는 집합체를 이루게 됩니다.

6. 물리 우주론
초창기 우주가 어떻게 탄생하게 되었고, 진화 과장은 어떠한지와 같은 원초이고 근본적인 연구를 진행하는 학문을 물리 우주론(physical cosmology)이라고 합니다. 물리 우주론은 우주 마이크로파 배경, 우주의 거대 구조, 암흑에너지, 암흑물질, 대폭발 핵 합성 등과 같은 주제에 대해 연구합니다. 물리 우주론의 근원이 되는 이론은 대폭발 이론으로써 우주가 약 137억년 전에 시공간의 한 점에서부터 탄생하여 현재까지 팽창하여 왔다는 이론입니다. 이러한 대폭발 이론은 1965년도에 우주 마이크로파 배경을 발견함으로써 일반적으로 사용되어 왔습니다.
대폭발 이론에 따르면 우주가 팽창하는 동안 우주는 여러 단계의 변화를 겪게 됩니다. 대폭발 직후에는 우주가 기하급수적으로 빨리 팽창하게 되는데 이 과정을 급팽창이라고 합니다. 이 급팽창으로 인해 현재 우주가 균질(homogeneous)적이고 등방적(isotropic)으로 관측되게 되었을 것이라고 학자들은 이야기합니다.
이러한 급팽창 이후 중수소, 헬륨과 같은 원소들이 탄생하였는데, 이때 대폭발 핵 합성 또는 원시 핵 합성이라고 부르는 과정을 거치게 됩니다. 대폭발 핵 합성은 우주를 구성하는 대부분의 물질이 합성되는 과정을 의미합니다.
중성 원자들은 우주가 팽창하고 식어가며 처음으로 생성되기 시작하였으며 중성 원자들에 의해 빛이 이온화된 전자들에 의해 방해받지 않고 우주상에서 뻗어갈 수 있도록 우주가 투명하게 변화하게 됩니다. 이때의 발생한 빛을 우주 마이크로파 배경이라고 합니다. 하지만 이 시기의 별들은 빛을 낼 수 없기에, 이 시기를 우주의 암흑시대라고 규정하고 있습니다.
이후 작은 밀도의 원소들의 움직이고 그로 인해 천체들이 형성되기 시작하였습니다. 물질들이 밀도가 높은 지역으로 이동하여 합쳐지면서 거대한 가스 덩어리가 생성되고 여기에서 별들이 탄생하게 됩니다. 이 별들의 내부에서는 핵융합 작용을 통해 무거운 원소들을 생성하게 되고 빛을 발생시키는데, 이때 발생하는 빛은 주위의 가스를 이온화 시켜서 재전리 과정을 시작하게 했습니다.
이후 중력에 의해 별들이 끌어당겨지고 모이면서 은하를 형성하게 되고, 은하들은 또 중력에 의해 은하 군과 은하단같이 더 큰 구조들을 형성하는 우주 거대 구조를 형성하게 됩니다.
암흑 물질과 암흑 에너지는 물리 우주론을 설명하기 위한 기본적인 구성성분이 되어왔으며, 암흑 물질과 암흑 에너지는 우주 전체의 96%의 비중을 차지한다고 알려져 있습니다. 하지만 암흑 물질과 암흑 에너지가 어떤 성분인지는 아직 밝혀지지 않았으며 미해결 문제 중 하나로 남아있습니다.