은하수는 왜 띠 모양일까

은하수는 하늘에 걸린 구름이 아닙니다. 우리가 살고 있는 납작한 별의 원반을, 그 안쪽에서 옆으로 본 모습입니다.

여름밤 어두운 곳에 가면 남쪽 하늘을 가로지르는 희뿌연 띠가 보입니다. 사진으로 찍으면 그 띠가 수많은 별로 이루어져 있고, 가운데에 검은 줄무늬가 갈라져 있다는 것도 드러납니다.

처음 은하수를 찍다 보면 몇 가지가 궁금해집니다. 왜 하필 띠 모양일까요? 왜 궁수자리 쪽만 유난히 밝고 두꺼울까요? 가운데 검은 줄은 별이 없는 빈자리일까요? 겨울에도 은하수가 있다는데 왜 그렇게 희미할까요?

이 질문들의 답은 하나로 모입니다. 우리가 막대나선은하의 얇은 원반 안에 들어 있기 때문입니다. 이 글에서는 우리은하의 생김새부터 시작해서, 그 안에서 바라본 하늘이 어떻게 보이는지 직접 돌려 보며 확인해 봅니다.

우리은하는 아주 납작한 원반이다

우리은하는 별과 가스, 먼지가 모인 거대한 원반입니다. 중심에는 별이 빽빽하게 모인 팽대부가 있고, 그 팽대부는 공처럼 둥글지 않고 길쭉한 막대 모양입니다. 막대의 양 끝에서 나선팔이 감겨 나갑니다. 이런 은하를 막대나선은하라고 부릅니다.

지름이 10만 광년인데 두께는 1,000광년 정도입니다. 지름과 두께의 비가 100 대 1이니, 지름 12cm에 두께 1.2mm인 CD 한 장과 비슷한 비율입니다. 우리은하는 생각보다 훨씬 납작합니다.

태양은 중심에서 바깥쪽으로 절반을 조금 넘게 나온 자리에 있습니다. 큰 나선팔 위가 아니라, 안쪽의 궁수자리 팔과 바깥쪽의 페르세우스 팔 사이에 놓인 작은 가지에 있습니다. 이 가지를 오리온 돌출부(오리온 팔, 국부 팔)라고 부릅니다. 이름처럼 오리온자리 방향의 밝은 성운과 젊은 별들이 이 구조에 속합니다.

원반 안에서 보면 띠가 된다

얇은 원반 한가운데에 서서 사방을 둘러본다고 생각해 보세요. 원반면을 따라 옆으로 보면 시선이 수만 광년 동안 별들 사이를 지나갑니다. 그 방향에는 멀고 희미한 별이 셀 수 없이 겹쳐 보입니다. 반대로 위나 아래로 보면 수백 광년만 가도 원반을 벗어나 버립니다. 그쪽에는 가까운 별 몇 개만 보입니다.

그래서 별빛은 원반면 방향에만 몰려서 보입니다. 원반면은 나를 중심으로 사방으로 펼쳐진 평면이니, 하늘에서는 한 바퀴를 빙 두르는 원이 됩니다. 이것이 은하수 띠의 정체입니다. 이 원을 은하 적도라고 부르고, 은하 적도를 기준으로 잰 경도를 은경(l), 위도를 은위(b)라고 합니다. 은경 0°는 은하 중심 방향입니다.

태양은 원반의 중앙면에서 수십 광년쯤 위에 있어서, 사실상 한가운데에 있습니다. 그래서 은하수는 하늘을 정확히 반으로 나누는 대원에 가깝게 보입니다. 다만 이 원은 지구의 적도와 나란하지 않고 약 63° 기울어져 있습니다. 그래서 은하수는 계절과 시간에 따라 하늘에서 비스듬히 서기도 하고 눕기도 합니다. 지난 글에서 본 일주운동에 이 기울기가 더해진 결과입니다.

띠의 겉보기 폭도 같은 방식으로 생각할 수 있습니다. 두께가 일정한 원반을 안에서 보면 가까운 부분은 넓게, 먼 부분은 좁게 보입니다.

은하수가 하늘에서 수십 도 폭의 넓은 띠로 보이는 것은 가까운 원반의 별이 넓게 퍼져 보이기 때문이고, 그 가운데에 먼 원반의 별빛이 좁고 진하게 겹쳐 있습니다.

궁수자리 쪽이 밝고 두꺼운 이유

은하수의 밝기는 방향마다 다릅니다. 은하 중심은 궁수자리 방향(적경 약 17시 46분, 적위 약 −29°)에 있습니다. 이쪽을 보면 시선이 은하 안쪽의 별이 많은 원반을 지나고, 그 끝에서 팽대부를 만납니다. 팽대부는 원반보다 위아래로 두꺼워서 하늘에서 중심 위아래로 10°쯤씩 부풀어 보입니다. 여름 은하수 사진에서 궁수자리와 전갈자리 부근이 둥글게 부풀고 밝은 것은 이 때문입니다.

반대 방향인 은하 반중심(은경 180°)은 황소자리와 마차부자리의 경계 부근입니다. 이쪽은 은하의 바깥쪽이라, 앞에 남은 원반이 2만 광년 남짓밖에 되지 않고 별도 바깥으로 갈수록 드물어집니다.

태양은 은경 90° 방향, 백조자리 쪽으로 은하를 돌고 있습니다. 백조자리 부근이 유난히 풍성한 것은 우리가 속한 오리온 돌출부를 길게 따라 보는 방향이기 때문이기도 합니다.

직접 돌려 보기

아래 위쪽 그림은 우리은하를 북쪽에서 내려다본 모형입니다. 별 입자로 원반, 막대, 나선팔을 만들고 태양을 실제 거리에 놓았습니다. 그림을 끌면 태양에서 뻗는 시선 방향이 바뀝니다. 아래쪽 그림은 그 모형 안에서 본 하늘을 은하 좌표로 펼친 것입니다. 가운데가 은하 중심 방향이고, 왼쪽과 오른쪽 끝이 반중심 방향입니다. 그 아래 곡선은 은경별로 띠가 얼마나 밝은지 나타냅니다.

해 볼 만한 것들입니다.

• 중심 0°와 반중심 180°를 비교해 보세요. 가시광에서도 반중심 쪽 띠는 중심 쪽의 몇 분의 일 밝기입니다. 그래도 띠 자체는 하늘을 한 바퀴 이어집니다.
• 주황색 테두리를 보세요. 원반면을 따라 먼지 때문에 빛이 크게 줄기 전까지 보이는 범위입니다. 지름 10만 광년의 은하에서 가시광으로 보이는 곳은 태양 주변 수천 광년에 불과합니다.
• 관측 파장을 근적외선으로 바꿔 보세요. 가운데의 검은 줄이 거의 사라지고 팽대부가 그대로 드러나며, 보이는 범위가 크게 넓어집니다.
• 관측자를 중심 쪽이나 바깥쪽으로 옮겨 보세요. 바깥으로 갈수록 반중심 쪽 하늘은 거의 텅 비고, 은하수는 중심 방향의 짧은 띠처럼 변합니다.

모형은 실제 구조를 흉내 낸 단순화입니다. 나선팔의 정확한 모양과 개수는 지금도 연구가 이어지는 주제이고, 우리은하를 위에서 본 그림은 모두 관측을 바탕으로 그린 상상도입니다. 우리가 그 밖으로 나가서 사진을 찍을 수는 없기 때문입니다.

가운데 검은 줄은 먼지다

여름 은하수 사진을 보면 백조자리에서 독수리자리를 지나 궁수자리까지, 띠 가운데가 검게 갈라져 있습니다. 이 검은 띠를 대암흑대(Great Rift)라고 부릅니다. 이곳에 별이 없는 것이 아닙니다. 우리와 별 사이에 성간 먼지가 가로막고 있는 것입니다.

성간 먼지는 탄소나 규산염으로 된 아주 작은 알갱이입니다. 크기가 가시광선의 파장과 비슷해서 별빛을 잘 흡수하고 흩어 버립니다. 먼지는 별보다도 더 얇은 층으로 원반면에 모여 있습니다. 그래서 하필 별이 가장 많이 겹쳐 보이는 원반면 한가운데를 따라 검은 줄이 생깁니다. 대암흑대를 만드는 먼지 구름은 대부분 수백~수천 광년 거리에 있는, 비교적 가까운 구름입니다. 그 뒤에 있는 수많은 별빛을 통째로 가리고 있습니다.

이 차갑고 어두운 구름은 새로운 별이 태어나는 곳이기도 합니다. 은하수 사진의 검은 무늬는 빈자리가 아니라, 은하에서 물질이 가장 많이 모인 곳 중 하나입니다.

먼지 너머는 가시광으로 볼 수 없다

태양 근처의 원반면을 따라 보면 먼지 때문에 대략 3,000광년마다 1등급쯤씩 어두워집니다. 안쪽으로 갈수록 먼지가 많아져서, 은하 중심에서 2만 6천 광년을 오는 동안 가시광은 약 30등급이 어두워집니다. 등급과 밝기의 관계로 바꾸면 이렇습니다.

그래서 우리 눈과 카메라로는 은하 중심 자체를 볼 수 없습니다. 은하 반대편 원반도 마찬가지입니다. 궁수자리에서 보이는 밝은 별구름의 일부는 먼지가 얇은 틈으로 팽대부의 별이 보이는 곳입니다. 은하 중심 바로 아래 4°쯤에 있는 바데의 창이 대표적입니다.

먼지를 뚫고 보려면 파장이 긴 빛을 써야 합니다. 근적외선은 먼지에 덜 가려집니다. 은하 중심 방향의 소광이 가시광의 10분의 1쯤인 3등급 정도로 줄어듭니다. 막대 모양 팽대부를 확인한 것도 적외선 관측이었고, 나선팔은 전파(중성 수소의 21cm 선)로 지도를 그려 왔습니다. 우리은하의 전체 모습은 이렇게 여러 파장의 관측을 이어 붙여 얻은 것입니다.

은하수가 하나의 은하가 되기까지

은하수가 별의 원반이라는 것, 그리고 우주에 그런 은하가 수없이 많다는 것은 비교적 최근에 알게 된 사실입니다.

허셜이 태양을 중심 근처에 놓은 이유는 바로 먼지였습니다. 어느 방향이든 수천 광년 너머는 먼지에 가려 보이지 않으니, 별을 세면 어느 쪽으로나 비슷한 거리에서 별이 끊기는 것처럼 보였습니다. 위의 인터랙티브에서 주황색 테두리가 태양을 둘러싼 작은 영역에 그치는 것과 같은 현상입니다. 섀플리는 원반 위아래에 흩어져 있어 먼지에 덜 가려지는 구상성단을 이용해서 이 착시를 피했습니다. 다만 먼지를 고려하지 않아 은하의 크기는 실제보다 크게 잡았습니다.

허블이 잰 안드로메다은하는 지금 값으로 약 250만 광년 떨어져 있습니다. 지름 10만 광년인 우리은하보다 훨씬 먼 곳입니다. 이때부터 은하수는 "하늘의 띠"에서 "수많은 은하 중 하나를 안에서 본 모습"이 되었습니다.

사진에 담을 때 생각할 것

여름 은하수는 은하 중심을 보는 것입니다. 궁수자리 쪽 중심부는 여름밤에 남쪽 하늘에 뜹니다. 서울(북위 약 37.6°)에서 은하 중심은 가장 높이 떠도 고도 약 23°입니다. 남쪽 지평선이 트이고 어두운 곳을 고르는 것이 중요한 이유입니다. 시기와 시간은 지난 글에서 계절별로 정리했습니다.

겨울 은하수는 은하의 바깥쪽을 보는 것입니다. 한겨울 자정 무렵에는 반중심 방향인 마차부자리와 황소자리가 머리 위 가까이 올라옵니다. 은하수는 마차부자리에서 쌍둥이자리와 오리온자리 옆을 지나 큰개자리로 이어지지만, 여름보다 훨씬 가늘고 희미합니다. 겨울 하늘에 밝은 별이 많아서 은하수도 밝을 것 같지만, 시리우스나 베텔게우스 같은 별은 비교적 가까운 별일 뿐입니다. 띠 자체의 밝기와는 관계가 없습니다.

검은 무늬를 살리면 사진이 입체적이 됩니다. 대암흑대와 여러 암흑 성운은 가까운 먼지 구름입니다. 밝기를 지나치게 끌어올리면 이 무늬가 묻히고 띠가 평평한 구름처럼 보입니다. 띠의 밝은 별구름과 검은 먼지가 함께 보이도록 보정하면, 우리가 원반 안에서 먼지 너머를 보고 있다는 사실이 사진에 그대로 남습니다.

참고 자료와 모형의 범위

• NASA, Galaxies: 우리은하의 원반 구조와 하늘에서 띠로 보이는 이유를 설명합니다.
• NASA, Universe glossary: 우리은하와 원반, 성간 물질 등 용어의 정의를 확인할 수 있습니다.
• 은하 모형은 구조를 이해하기 위한 도식입니다. 모든 별과 나선팔의 실제 3차원 위치를 측정해 배치한 지도가 아닙니다.

정리

• 우리은하는 지름 약 10만 광년, 두께 약 1,000광년의 납작한 막대나선은하이고, 별은 약 1,000억~4,000억 개다.
• 태양은 중심에서 약 2만 6천 광년 떨어진 오리온 돌출부에 있다. 원반 안에서 보면 별빛이 원반면 방향에 몰려서 하늘을 한 바퀴 두르는 띠가 된다.
• 궁수자리 쪽은 안쪽 원반과 팽대부를 보는 방향이라 밝고 두껍다. 반대쪽 반중심(마차부자리·황소자리 부근)은 은하 바깥쪽이라 희미하다.
• 가운데 검은 줄은 별이 없는 곳이 아니라 원반면에 얇게 모인 성간 먼지가 별빛을 가린 것이다.
• 먼지 때문에 가시광으로는 수천 광년 너머를 보기 어렵고, 은하 중심과 반대편은 적외선과 전파로 본다.
• 여름에는 은하 중심을, 겨울에는 은하 바깥쪽을 찍는다. 같은 원반을 서로 반대 방향에서 보는 것이다.