활동성(活動性) 은하(active galaxy)

원시은하와 최초의 별들이 만들어지기 시작한지 수백만 년이 지나자 별들 중 어떤 것들은 초신성폭발을 일으키기도 하고 그보다 질량이 더 큰 것들은 블랙홀로 붕괴되었을 것이다. 그리고 이들 원시은하들은 중력에 의해 충돌을 일으킴으로서 더 많은 별들의 생성을 촉진시키고 블랙홀들 역시 합쳐져 거대 블랙홀로 원시은하의 중심에 자리 잡았을 것이며 준성도 형성되었을 것이다. 한편 우주 초기에 독자적으로 만들어진 거대 블랙홀의 주변에도 수백만 개의 별을 만들 수 있는 거대가스구름들이 많이 있었을 것이며 거대 블랙홀로 인한 준성이 이들에게 에너지를 공급하여 별들의 생성을 촉진시키면 한꺼번에 수천 개에서 수백만 개의 별들이 같이 만들어졌을 것이다. 그러나 이들은 모두 같은 순간에 만들어지는 것이 아니고 어느 정도 시차를 두고 만들어 지는데 이렇게 만들어진 별들은 대체로 태양과 비슷하며 이들 중에서 블랙홀에 가까이 있는 별들은 블랙홀로 빨려 들어가게 되지만 조금 멀리 떨어져 있는 별들은 준성의 에너지에 의해 밀려났을 것이다. 또 블랙홀에서 멀리 떨어진 곳에서는 독자적으로 중력에 의하여 별들이 만들어지기도 하지만 먼저 별이 하나 만들어지기 시작하면 그 과정에서 발생하는 열과 빛이 주변에 남은 물질들을 날려버리기 때문에 가스나 먼지가 모두 별이 되는 것은 아니다.

이렇게 만들어진 별들은 각자 자신의 궤도운동을 하면서 약간씩 다른 속도로 움직이게 되는데 처음에는 그 차이가 미미하여 같이 무리를 이루고 있는 것처럼 보이지만 수천만 년이 지나고 나면 여기저기 흩어져서 어느 별들이 같이 탄생했는지 알 수가 없게 된다. 그러나 이 별들은 흩어진다고 해도 우주공간에 골고루 퍼지는 것이 아니라 먼저 적게는 만여 개에서 많게는 1백만 개까지 공 모양으로 무리를 짓는데 이들을 구상성단(球狀星團, globular cluster)이라고 한다. 이 안의 별들은 매우 촘촘하여 10입방광년의 공간 속에 1천개 정도의 별들이 들어있으며 별과 별 사이의 충돌도 자주 일어나게 된다.

구상성단에서는 종종 초신성폭발이 일어나 무거운 원소(중원소/重元素:헬륨보다 무거운 원소들을 통 털어 중원소라고 함)로 이루어진 별 티끌(星塵, stardust)들을 우주공간에 쏟아내게 되고 이들은 별을 만들고 남아있는 가스구름과 섞이게 된다. 그리고 이렇게 무거운 원소를 포함한 가스구름으로부터 새로운 별들이 만들어지며 이들은 100개 내지 1,000개씩 무리를 지어 산개성단(散開星團, open cluster)을 형성한다. 이와 같이 구상성단은 수소와 헬륨으로부터 만들어진 오래된 별들만을 포함하고 있는데 이런 별들을 종족(種族, population)Ⅱ별이라고 하고 이에 비하여 무거운 원소들을 포함한 산개성단 속의 젊은 별들은 종족Ⅰ별이라고 한다.

이런 성단들이 수없이 모여 수많은 별로 이루어진 은하를 형성하게 된다. 이렇게 만들어진 은하의 크기는 별의 개수가 1조 개가 넘는 것부터 1억 개 미만인 것까지 다양하지만 대개 수천억 개 정도이다. 또 거대분자구름이든 은하든 우주공간에 존재하는 모든 것은 회전을 하기 때문에 그 회전력에 따라 은하는 나선형, 타원형 등 여러 가지 형태로 만들어진다. 그리고 이와 같이 은하 중심부의 블랙홀이 주변의 별이나 물질들을 활발하게 빨아들이는 은하를 활동성 은하라고 한다.

비활동성 은하

은하의 중심부에 있는 블랙홀이 가까이 있는 별들이나 가스를 모두 빨아들여 주변에 더 이상 빨아들일 물질이 없을 때에는 더 이상 준성이 유지되지 못하고 블랙홀은 활동을 중지하게 되는데 이러한 은하를 비활동성 은하라고 한다.

행성(行星, planet)을 거느린 별들의 등장

우주 초기에는 수소와 헬륨밖에 없었기 때문에 중력붕괴를 일으킬 때에도 한 덩어리씩 뭉쳐져 하나의 별로 만들어졌다. 그래서 오래된 별인 종족Ⅱ별들은 행성을 가지지 않는다. 그러나 초신성폭발이 일어나기 시작한 후에는 그로 인하여 각종 물질이 우주공간으로 쏟아져 나와 별을 만드는 가스구름에는 수소나 헬륨만이 아니라 죽은 별에서 만들어진 일산화탄소와 같은 제3의 가스나 탄소와 실리콘, 철 기타 현재 지구상에서 발견할 수 있는 각종 원소로 구성된 담배연기 입자 크기의 먼지입자들이 포함되게 되었다.

따라서 이들로부터 종족Ⅰ별들이 만들어질 때에는 밀도 차이 때문에 대개 공 모양이 아니라 회전하는 원반 형태가 되며 중심부에는 주로 수소와 헬륨가스가 모이고 이보다 무거운 물질들은 원반을 형성하게 된다. 그리고 이들 회전하는 가스구름이 붕괴되기 시작하면 구름의 회전은 더욱 빨라지고 일부 물질을 우주로 내버리면서 각운동량이 어느 정도 줄어들게 된다(중력붕괴로 크기가 작아지면 같은 각운동량을 유지하기 위해 회전속도가 빨라지게 된다).

구름 중심부에 별이 만들어지고 빛을 내기 시작할 때 원반에는 물질이 가라앉으면서 공간이 좁아지기 때문에 입자들은 더 자주 충돌하게 된다. 이와 같은 충돌로 인해 입자들은 폭이 수 밀리미터인 큰 입자가 되며 이들 큰 입자들이 충돌하여 더 큰 입자가 되고 결국 이들은 조약돌만한 크기를 거쳐 바위덩어리만 하게 되면서 서서히 중력의 작용을 받게 된다. 이들 바위덩어리가 커지면 커질수록 중력의 작용도 커져서 다른 바위덩어리들과 합쳐져 지름이 수 km에서 수백 km인 미행성(微行星, planetesimal)들을 형성하고 이들이 점점 더 커져서 결국은 공 모양의 원시행성(原始行星, protoplanet)을 만들게 되는데 원반이 원시행성을 이룰 때까지는 대략 1백만 년 정도가 소요된다.

그런데 이와 같이 원시행성이 만들어지는 과정에서 중심별에 가까운 행성은 별에서 불어오는 별 바람(복사에너지)으로 인하여 뭉치던 가스를 많이 날려버리기 때문에 큰 행성으로 자라지를 못하며 또 중심별이 발산하는 열로 인하여 휘발성물질은 증발되고 얇은 대기층(大氣層, atmosphere)만을 가진 공 모양의 단단한 바위덩어리만 남게 된다.

그리고 중심별에서 상당히 멀리 떨어진 행성들은 행성의 핵이 상당량의 가스를 그대로 지닌 거대행성이 되며 대기층도 두꺼우나 밀도는 작다. 그러나 중심별과 너무 멀면 초기 성운물질의 양이 너무 적어 큰 행성이 될 수 없다. 또 뭉쳐지던 덩어리들 중 미처 행성이 되지 못한 작은 덩어리들은 행성계 내부나 외곽의 소행성들이 된다. 한편 이들은 모두 만들어질 때와 마찬가지로 같은 평면상에서 공전(公轉, revolution)을 하게 된다.

행성을 가진 별들도 다른 별들과 똑 같은 진화의 과정을 겪는다. 따라서 진화의 과정에 따라 행성계가 큰 변화를 겪겠지만 적색(초)거성이나 백색왜성, 중성자별 중에서도 행성을 가진 것들이 많이 있다.

[임성빈 교수의 ‘빛의 환타지아’]