우주의 지도를 그리다 (천문학자의 은하 여행)

제임스기치

‘은하형성과진화’를연구하는천문학자이자과학저술가.영국왕립학회펠로이며,하트퍼드셔대천체물리학연구센터CAR에서부교수로재직중이다.더럼대에서박사학위를받은뒤박사후과정을이수했으며,맥길대학에서밴팅펠로로연구를수행했다.
은하의형성과진화에서특히환경의역할,냉가스의성질과진화를연구한다.과학저술가로서복잡한개념을단순한언어로풀어내는데관심이있으며,천문학연구의최신자료들을누구나이해할수있는방식으로이야기하기를좋아한다.
논문으로「천문학자의전全우주에걸친암흑물질지도AstronomersMapDarkMatterThroughouttheEntireUniverse」「라이먼알파:우주가스거품시대의은하LymanAlphaBlobs:GalaxiesComingofAgeinCosmicBlobs」등이있다.
현재‘JCMT우주유산관측’프로그램에참여하고있다.

제1장머리위의도시
은하수를가로질러서|은하의구성요소|여정을시작하며

제2장외부은하의세계로들어가기
우리가알고있는것들|분광학의힘|우주의지도를그리며|다색사진|거리의문제

제3장자세히들여다보기
서로다른수많은별|가스,별을만드는설계도|은하의역학,중력에맞춰춤을|은하의여러유형과우주의거미줄|은하의중심|가스바다의섬들

제4장은하의진화
티끌에가려진극단적인은하|난폭한은하들|별생성의역사|은하서식지의역할|과거를보는중력의창|은하의기원

제5장우주모형
대혼란속에서의기원|우주의뼈대안에서바리온을잃어버리다|모형우주|은하의생성|앞으로나아가기

감사의말
거리척도
용어설명
참고문헌
사진출처
찾아보기

천문학은지금전력으로질주하고있다

매일밤우리는하늘을응시하며수천개의별을본다.하지만이별들은우리가살고있는‘우리은하MilkyWaygalaxy’안의별들에지나지않는다.관측가능한우주안에는모양·크기·나이가제각각인수천억개의은하가있고,각은하는수천억개의별을저마다거느린다.
따라서인간은좌절을느낄만큼아직까지은하의정체를파악하지못했다.저자제임스기치는매일빛을모으는일을한다.관측천문학자로서우주를더깊이,더멀리,더자세히들여다보기위함이다.그는‘우주론적질문’을던지기보다는오로지은하의생성과진화를연구하는데만집중한다.
이책에서그는‘우리은하’와다른은하의존재를최초로입증했던100년전의‘나선성운들’로독자를데려가고,멀리떨어진은하들이방출하는빛을수집·해석하는인간의능력을추적한다.
그가운데우리는은하가어떻게형성·진화했는지그리고외부은하천문학자가현재던지는질문과직면해있는문제가무엇인지알게될것이다.초기은하는언제생성되었을까?은하는어떤방식으로성장하고은하의운명을좌우하는물리학은어떤것일까?
이책은우리은하에서극도로멀리떨어져있는은하들의성질과그것들의진화방식에대한최신관측에이르기까지,급속도로발전하고있는연구분야의사례들을풍부하게소개한다.나아가우주에대한‘세계모형worldmodel’을설명해주는이론적체계와컴퓨터시뮬레이션을깊이있게다룬다.
우리의지식은매일같이더방대해지며연구속도도더빨라지고있다.하지만은하들이어떻게존재하게됐으며이은하들이140억년이라는우주역사의시간동안어떤과정을통해형성됐는지에대해선거의무지하다.
이해하기쉽고,종합적이며,최고의사진들을담고있는이책은우주의미스터리를알려주는잊지못할안내서다.전세계천문학자들은분명이책에빠져들지않을수없을것이다.

천문학자의일:우주의광자를모으다

우주의역사내내방출되어결합된빛을지구는온몸으로받고있다.은하역시매우다양한요소로구성되어있지만이런저런형태의빛을방출하거나혹은차단하는공통된특성을지닌다.
따라서만약다양한형태의빛(아니면빛의‘부재’)을탐지한다면우리는우리은하와외부은하의지도를그릴수있을뿐아니라그구성성분도밝힐수있을것이다.즉이책의목표는이들빛가운데일부를포착해그것이어디서왔고,어떻게방출되었는지알아내는것이다.
인간은직접적으로우주의물질을관측하거나측정할수없으며오로지방출·흡수·반사된광자를탐지하는방식으로만우주를배울수있다.역사를통틀어관측천문학자는오직한가지일에만관심을보여왔다.바로광자를모으는일이다.그들은빛사냥꾼이다.
광자는우리가먼우주에대해갖고있는유일한직접적인연결고리다.광자는멀리있는별이나가스구름으로부터지구까지수십억년동안여행을한다.대부분아무런방해를받지않고거침없이오지만이따금흡수·재방출·변형·굴절을겪기도한다.
이처럼꾸준한빛의쏟아짐안에는우주의역사를이해할단서가숨겨져있다.천문학자는관측천문학자와이론천문학자로나뉜다.이론천문학자는우주모형이나은하같은구성요소를테스트하며,특정한천체물리학과정이기본원리하에서어떤식으로진행되는지를추적한다.
반면관측천문학자는자연이작동하는방식이아직완전히밝혀지지않은은하같은영역에서그작동방식을설명해줄적절한모형을고안해낸다.이론천문학자가모형을데이터와비교해현실성여부를판단한다면,관측천문학자는바로이데이터를수집하는것이다.
이책의저자는관측천문학자이며,이들은나름경험주의자라할수있다(저자는SCUBA-2카메라를이용한‘JCMT우주유산관측’이라는대규모관측프로그램에참여하고있다).망원경,카메라,분광기가이들의주관측장비이며현상을관찰해데이터를얻고‘우주모형’의틀을활용해그데이터를해석한다.
그런데관측천문학자는통제실험을수행하는과학자와동일한처지에있지못하다.‘경험과학’으로서의천문학이드문이유다.대신그들은‘우주안의지구’라는제한된관측위치에서되도록많은빛을쳐다보고흡수해야한다.그런데지구와외부은하사이의거리는엄청나게멀어외부은하에서방출된빛은오랜시간이흐른뒤에야지구에당도한다.우리가은하를보는것은그은하가빛을방출했던때의모습으로,이는수십억년전의것일가능성이크다.그런면에서과거은하의빛을추적하는천문학자는과거의유물을발굴하는‘고고학자’에빗대어지기도한다.

은하의형성과은하의진화를탐구하다

은하란무엇으로만들어졌으며,어떻게생성되고,얼마나클까?시간의흐름은은하를어떻게변화시켰을까?은하를형성하려면고온상태의최초혼합물이필요하다.그리고기본적인원소인수소와헬륨(그리고가벼운원소인듀테륨과리튬소량)이포함된혼합물이온도가낮아지면서밀도가높은무리를형성해야한다.
이러한메커니즘이없다면단일한수소원자가구름으로합쳐지지않아분자구름으로결합할수없게되고,핵융합이일어나지않아별을생성하지못한다.하지만은하는그같은초기의대혼란에서도형성되었다.
빅뱅이후이러한최초의생성에서현재까지시간이흐르면서은하의성질은변화해왔고,이러한변화를추적하는것이외부은하천문학의목표이기도하다.
은하형성과정과관련해저자는자신이발견한가장놀라운점은광범위한규모의구조와질서를가진매우복잡한체계인‘은하’가기본원소의운동과행동을지배하는단순한물리규칙집합을통해최초의상태로부터진화한방식이라고말한다.
이를가장생생히보여주는예는국부우주에있는은하의아름다운나선팔일것이다.한편은하단은방대한무리의은하가중력에의해함께묶여있는것이며,우주에서질량이가장큰개체다.
즉은하단은우주연결망의한점을구성하는은하로가득한거대한암흑물질헤일로이며,극도로뜨거운기체(플라스마)에둘러싸여있다.이플라스마는최초의은하간기체가암흑물질헤일로에흘러들어가면서형성됐고,수백만도의온도로가열되었다.
우리는하나의행성에갇힌채로하나의항성주위를공전하고있고,이항성자체도‘우리은하’라불리는원반모양의항성계주위궤도를돌고있다.우리은하는별과가스와티끌로가득차있고그중심부에는거대한블랙홀이있다.우리는우리은하바깥에다른은하들이있다는사실을알고있다.
어떤은하는우리은하와비슷하게생겼고어떤것은그렇지않다.이들은서로엄청나게멀리떨어져있으며은하단,은하군,필라멘트구조같은거대구조를이룬다.은하들사이의거리는아주멀기때문에멀리떨어진은하와우리가가진검출기사이의엄청난거리를빛이가로지르는데걸리는시간은매우중요하다.
우리는은하의현재가아닌옛날모습들을보고있다.먼은하를보면서우주의과거모습에대한짤막한정보를얻고있는것이다.이것이바로은하진화연구의기본이다.
은하들은저마다다른진화과정을겪는다.각은하의별생성은고유한특징,즉총질량이나환경등의변수가결합해모두다르게나타난다.특히은하가처한환경이매우중요한데,이것은은하사이의결합률과상호작용에영향을미치며,은하의특성에영향을미치는외부작용을야기하기때문이다.
그중가장극단적인환경은은하단이다.은하단에속한은하는다른곳에서는일어나지않는다양한천체물리학적현상(램압벗기기,조석력을이용한중력의‘학대’,가스‘부족’,‘숨통끊기’등)을경험한다.시간이흐르면서은하단내부은하의항성분포는재구성되고,그결과은하의형태도바뀐다.
결국은하의성장속도는환경의함수로,환경에따른은하의진화가어떻게달라지는가는핵심적으로연구해야할분야다.환경에따라변화의양상을측정할수있다면,은하의성장을설명하는물리법칙과대규모암흑물질성장사이의관련성을밝힐수있을것이다.

은하연구,우주를가장완전하게이해하는방법

그런데은하연구를하는데쉽지않은이모든노력을왜기울여야할까?140억년의우주역사가만들어낸빛나는산물로부터우리에게약하게내리쬐는약간의광자를모으기위해왜수백만달러의망원경과기구를구입하고척박한곳으로독자를안내해야하는가?
사실천체로부터모을수있는에너지양은엄청나게적다.가령저자가연구하는은하로부터매초한단위면적당얻는에너지양은눈한송이가영국땅덩어리만한검출기에부딪힐때생기는운동에너지보다1000배나더적다.거리가너무먼까닭에외부은하로부터지구에도달하는에너지양은거의없다시피할만큼극소량이기때문이다.우주를더멀리내다보려할수록이문제는더심각해진다.그은하들은더작고,더희미해탐지하기란거의불가능하기때문이다.은하는우리삶에서그리큰역할을하지않는다.결코가보지못할그곳을이렇게까지관측해야할까?저자는‘그렇다’고말한다.
실용성면에서그런답을내놓는것은아니다.앞으로도인간이더넓은은하계를탐험할가능성은수백,수천년안에는희박하다.게다가우리가외부은하에직접가보지못할것은거의확실하다.그런데도외부은하의물리적사항들을밝혀내려는이유는있다.인류는자연계에대한본능적인흥미와자연계의원리를가장완전한수준으로이해하고자하는욕망에의해움직이고발전한다.이를위해서는우주를전체로서이해해야한다.즉우주의구성요소와우주의진화를이해해야하는것이다.밤하늘의별을보면서그것의정체를파악하지못한다면,폭풍우가치는것을보고도빗방울이무엇인지모르는것과마찬가지다.
천문학은자연과인간의위치에대해더또렷한그림을보여준다.우리가답하고싶은질문이처음에는단순히알고자하는욕구에서비롯됐다해도,역사상과학은‘현실세계’의문제에대해새롭고실용적인해결책을계속해서제공해왔다
우리가천문학연구를멈추지않는이유는우리가예술활동을멈추지않는이유와같다.그자체가우리인간을구성하는일부이기때문이다.
그래서저자는단순한물음을제기하면서여정을시작한다.“별들사이에있는희미하고흐릿한성운은뭐지?”이런질문과함께이책은수백만개의은하를탐지하고은하군,필라멘트구조,은하단을이룬모습을관측하며다양한파장으로전체하늘의지도를그려낸다.
우주초창기의모습을살피고자하늘의열쇠구멍같은작은부분을촬영하고,은하가어떻게변해왔는가를측정하며,우주의화학적성질과구성요소및모양과역학을알아낼뿐아니라이모든것을하나의이론모형으로살펴본다.