우리은하의 회전과 질량

 

우리은하의 회전과 질량

21cm 전파의 관측과 해석

21cm 수소선 : 원자 상태로 존재하는 중성 수소는 양성자와 전자의 자전 방향에 따라 두 종류의 에너지 상태로 존재한다.

 - 양성자와 전자의 자전 방향이 서로 같을 때가 반대일 때보다 에너지 상태가 조금 더 높다.

 - 자연 상태에서 중성 수소는 에너지가 높은 상태에서 에너지가 낮은 상태로 자발적으로 바뀌기도 하는데 이때 방출되는 것이 21cm 전파이다.

 

나선팔 구조의 발견 : 중성 수소 원자에서 방출되는 21cm 전파를 관측하여 알아내었다.

 - 은하 원반에 어둡게 보이는 성운은 대부분 중성 수소 가스로 이루어져 있다.

 - 전파는 성간 물질에 거의 흡수됮 않으므로 가시광선으로 알 수 없었던 은하의 구조를 알아내는 데에 중요한 역할을 한다.

 - 방출된 21cm 전파를 전파 망원경으로 포착해 도플러 이동을 분석하여, 수소 구름의 분포가 나선팔의 형태를 이루고 있음을 알게 되었다.

 - 은하에 존재하는 중성 수소의 분포를 확인하면 우리은하의 나선 구조를 확인할 수 있다.

 - 2005년에 스피처 적외선 망원경의 관측 결과로부터 우리은하의 중심부에 막대 구조가 있음이 밝혀졌다.

 

중성 수소 구름에서 나오는 방출선의 파장은 우리은하의 회전 때문에 도플러 이동을 일으키게 되므로 시선 속도를 통해 위치를 알 수 있으며, 방출선의 세기는 구름에서 시선 방향의 수소 원자 수에 비례한다.

 - 우리은하의 원반에 분포하는 성운은 대부분 중성 수소 기체를 이루어져 있으며, 중성 수소는 주로 나팔선에 집중되어 있고 나선팔은 서로 다른 속도로 회전하고 있다.

 

태양계 부근 별들의 공간 운동

 - 우리은하의 질량이 대부분 핵에 속해 있다면 별들의 궤도 운동 속ㄷ는 케플러 제3법칙에 의해서 중심에서 멀수록 느려질 것이다. ▶ 케플러 회전

 - 은하면 상에서 태양으로부터의 거리가 같은 별들의 시선 속도를 관측하면 은경 0º~90º 사이의 별들은 태양을 앞질러 가는 것처럼 보일 것이고, 은경 180º~270º 사이의 별들은 태양보다 뒤처지는 것처럼 보인다. 이와 같은 예측은 실제 관측 결과와 잘 일츠하므로 태양 근처의 별들은 케플러 회전을 한다.

 

 

 

우리은하의 회전 곡선 : 은하 중심으로부터 1kpc까지는 속도가 급격히 증가하여 최댓값을 나타내었다가 다시 감소하여 3kpc 근처에서 최소가 되고, 그 바깥에서 다시 증가한다. 태양 부근에서는 다시 감소하고, 태양계 바깥쪽 은하의 외곽에서는 다시 증가하다가 은하 중심에서 약 15kpc에서부터는 거의 일정한 속도를 유지한다.

 - 1kpc 이내 은하의 중심부는 강제와 같이 일정한 각속도로 회전한다.

 - 중심에서 약 1~3kpc 떨어진 궤도와 태양계 부근에서는 중심에서 멀어질수록 회전 속도가 감소하는 케플러 회전을 하고 있다.

 - 태양계 외곽의 은하 회전 속도는 일정하게 감소하지 않고, 어느 정도 감소하다가 다시 증가한 후 13kpc 이후로는 일정해진다. ▶ 우리은하의 질량이 중심부에 집중되어 있지 않고 은하 외곽에도 상당히 분포하고 있음을 알 수 있으며 이는 우리은하의 질량이 관측 가능한 물질 분포를 통해 구한 것보다 훨씬 크다는 것을 의미한다.

 

우리은하의 질량 : 은하핵을 중심으로 회전하는 별의 안쪽에 있는 물질의 총 질량이 은하 중심에 집중되어 있고, 질랴 ㅇ분포는 구 대칭을 이룬다고 가정한다.

 - 은하 질량이 별에 미치는 만유인력과 별이 원운동하기 위하여 필요한 구심력이 같아야한다.

 - 광도를 활용한 은하 질량 계산 : 주계열성은 질랴이 클수록 대체로 광도가 크게 나타나는데, 이를 은하에 적용할 수 있다. 우리은하에서는 빛을 내는 물질들의 광도로 추정한 은하의 총 질량은 태양 질량의 약 10의 10승이다. 이 값은 구상 성단의 운동을 통해 알아낸 우리은하의 질량보다 작다.

 

암흑 물질 : 빛을 내지 않아 관측되지는 않지만 질량을 가지는 미지의 물질을 암흑 물질이라고 한다.

 - 암흑 물질은 직접 관측을 통해 확인할 수 없으며, 다른 천체의 빛의 경로가 암흑 물질의 중력에 의해 휘어지는 중력 렌즈 현상과 같은 방법으로 존재를 간접적으로 추정할 수 있으며 정확한 성질과 정체는 알려져 있지 않다.

 - 우리은하 질량의 90% 정도를 암흑 물질이 차지하고 있고, 이 물질은 우리은하를 크게 에워싸고 있다고 추정된다.

 - 암흑 물질의 후보로는 백색 왜성, 갈색 왜성, 블랙홀, 중성자별 같은 무거운 일반적 천체나, 액시온, 윔프, 비활성 중성미자와 같은 작은 입자들이 있다.