백조자리 A(Cygnus A): 은하들의 충돌

Cygnus A

은하끼리 서로 충돌한다는 사실을 깨달은 후 천문학자들은 은하 충돌에 관해 관심을 기울였습니다. 은하가 모여 있다면 충돌의 가능성도 아예 없진 않을 거라는 추측하는 천문학자들도 있었습니다. 은하는 중력에 의해서 수많은 별, 가스, 먼지, 암흑물질이 한데 모여 이루어진 거대한 구조입니다. 은하는 기본 단위 중 하나로 별과 행성, 다양한 천체가 은하 내부에서 상호작용하며 존재합니다. 우리은하의 지름은 약 10만 광년이고 다른 은하인 안드로메다은하까지의 거리는 200만 광년입니다. 별들은 은하 안에 내부에 있습니다. 중심 궤도에 비슷한 거리에 있는 은하들은 충돌 가능성이 적은 반면에 은하의 은하단 내 은하 간 충돌 가능성이 비교적 높습니다. 커다란 은하들에서 충돌이 자주 일어나는 모습이 관측되기도 하며 과거 우리은하와의 충돌로 만들어진 은하의 잔해인 왜소은하도 존재합니다.  

 

즉, 백조자리 A가 충돌 중인 두 은하일 가능성이 있습니다. 아마 많은 전파원이 충돌 중인 은하일 수도 있습니다. 백조자라 A의 주요한 특징 중 하나는 강한 전파원을 방출시킨다는 것입니다. 천문학자들은 백조자리 A가 방출하는 전파에너지의 스펙트럼을 측정했을 때 그 방출선이 보통의 은하보다 수백만 배 크다는 사실에 집중하였습니다. 백조자리 A가 보여주는 현상은 고온의 가스나 스펙트럼이 전리되고 있을 때 나타나는 현상이라고 합니다. 스펙트럼 전리 현상은 특정한 에너지 수준의 광자나 입자가 원자, 분자의 충돌로 인해서 전자를 떼어내는 과정이고 이 과정은 이온화라고 알려져 있습니다. 하지만 일반적인 충돌로는 많은 에너지가 생긴다는 것은 불가능했습니다. 이 정도의 방출 에너지는 수십억개의 별들이 충돌하면서 나타날 수 있는 에너지인데 일반적으로 별들은 은하에 비해 멀리 떨어져 있습니다. 두 은하가 충돌해도 별들이 충돌하는 일들은 거의 일어나지 않으며 실질적으로 충돌하는 것들은 가스 구름들뿐이라고 합니다.

 

외부은하 중 강력한 전파를 내는 은하를 전파 은하라고 하는데, 백조자리 A은하와 다른 전파은하들은 방출하는 전파의 방향이 일정한 방향으로 편파화 되고 있다는 사실도 발견하게 되었습니다. 편파 현상은 빛이나 전파에서 파동의 진동 방향이 특정한 성질을 가지거나 그 파동 자체를 말하기도 합니다. 반면 별에서 방출되는 빛은 편광되지 않는데 이와 비교하면 꽤 흥미로운 사실이 됩니다. 하지만 실제 관측에서 별빛의 가시광 영역 중 대략 10%까지도 편광되어 있는데 이것은 성간 티끌에 의해서 나타나는 현상이며 편광 관측으로 성간 티끌에 대한 정보도 모을 수 있습니다. 이 전파는 특정한 방향으로 진동하고 있으며, 자기장을 통과하는 전자들이 자력에 의해 일정한 방향성을 갖게 되면서 일으키는 현상입니다. 이렇게 전자가 만들어내는 복사를 싱크로트론 복사라고 하는데 이것은 충돌하는 전자가 만들어내는 복사 유형이 아니므로 충돌하는 은하는 싱크로트론 복사를 만들어 낼 수 없습니다. 천문학자들은 전파의 세기를 등고선으로 표시해 보았습니다. 이 등고선에서 백조자리 A 한쪽에서만 등고선이 생기는 것을 발견했습니다. 충돌하는 은하라면 전파의 등고선도 비교적 비슷한 모습을 지녀야 하는데 그렇지 못했습니다.

 

1956년 존 브라운과 그의 연구팀은 전파간섭계를 이용해서 천문학적으로 중요한 발견을 이뤘는데 강력한 전파원인 백조자리 A의 정확한 위치를 측정하고 지름아 320,000광년이나 되는 거대한 은하라는 것을 밝혀냈습니다. 하지만 어떻게 강력한 전파를 내는 것인지는 밝혀내지 못했습니다. 그 강도 변화를 나타내는 원인이 천체 내부에 있거나 지구의 고르지 못한 이온층 분포라고 생각하기도 하였습니다. 지금은 백조자리 내부에 블랙홀이라는 의견이 주를 이루지만 여전히 정확한 원인이 밝혀진 것은 아닙니다. 당시로서는 전파원들의 정확한 위치를 찾는 것에 더욱 집중하였습니다.

 

민코프스키는 팔로마 천문대에서 발견한 은하 중에서 가장 밝은 은하의 스펙트럼이 백조자리 A보다도 크고, 거리도 10배나 더 멀리 떨어져 있다는 사실을 알아내게 되었습니다. 이 은하 또한 백조자리 A와 유사하게 돌출부가 양쪽에 있었습니다. 이를 통해 민코프스키는 은하들이 충돌하는 것이 아닌 폭발하는 은하가 에너지원이 된다는 사실을 밝혀내었지만, 폭발을 일으키는 근원에 대해서는 알 수 없었습니다.

 

호주의 천문학자들은 전파 망원경으로 센타우루스 자리에 있는 전파 은하를 발견하였습니다. 이는 지구에서 1,100만 광년 거리에 있습니다. 센타우루스 A는 거대한 타원은하로 X선과 다른 파장의 방출원이고, 가스 상태인 돌출부에서도 상당한 양의 에너지가 중심핵으로부터 분출되고 있었습니다. 그리고 또 다른 강력한 전파원인 처녀자리의 거대한 타원 은하는 볼턴이 발견했는데 아는 M87이었습니다. 중심에서 가장 강력한 복사가 방출되고 있었고, 은하의 중앙 팽대부, 원반, 나선팔 그리고 바깥 영역에 이를 둥글게 감싸고 있는 은하 무리인 헤일로에서도 적은 양의 복사가 관측되었습니다. 특히 중심에서 분출되는 강력한 복사원이 있는데 이 복사원이 만들어지기 위해서는 강력한 폭발이 있어야만 했습니다. 자세한 관측 후에 제트가 고도로 응축된 몇 개의 구역으로 이루어졌다는 것도 알게 되었습니다. 이들이 관측한 전파원들은 다른 은하의 100배 이상 강한 전파인 청색 제트를 방출하고 있는 강한 전파원들이었습니다. 전파원의 에너지가 폭발로 생성된 것이라고 생각하고 있어서 폭발의 속도에 따라 전파원의 강도가 다를 거라는 추측과 함께 중간 정도 세기의 전파원인 큰곰자리 전파은하 M82가 중간 정도의 세기를 나타내고 있음을 관측하게 되었습니다.

 

 

Reference

modern astronomy

*image: wikipedia