구상 성단으로 찾는 은하 중심

하늘 전체에 흩어진 구상 성단 157개의 위치를 별자리 지도에 찍어 보면, 여름철 은하수가 짙은 궁수자리와 전갈자리 쪽에 절반 가까이 몰려 있고 반대편 겨울 하늘에는 몇 개뿐이다. 산개 성단이나 맨눈에 보이는 별은 은하수를 따라 고르게 퍼져 있는데, 구상 성단만 한쪽에 치우쳐 있다. 1918년 섀플리는 이 치우침에서 우리가 은하의 가운데에 있지 않다고 결론 내렸다. 구상 성단의 위치와 거리로 은하의 중심이 어디인지, 태양에서 얼마나 떨어졌는지 계산할 수 있을까?

3.13.1구상 성단은 은하의 뼈대를 따른다

구상 성단은 수십만 개의 늙은 별이 공 모양으로 모인 무리로, 은하 원반이 아니라 원반을 둘러싼 둥근 헤일로에 퍼져 있다. 그래서 구상 성단 무리 전체는 은하의 질량 중심을 가운데에 두고 고르게 퍼져 있으리라고 볼 수 있다. 우리가 그 가운데에 있다면 구상 성단이 하늘 모든 방향에 고르게 보여야 한다. 그런데 한쪽에 몰려 있으니, 태양은 무리의 가장자리 쪽에 있고 무리의 중심은 성단이 몰린 방향에 있다. 이 중심을 찾으려면 각 성단의 방향과 거리를 공간의 좌표로 바꾸어 평균을 낸다.

섀플리는 구상 성단 속의 변광성을 잣대로 삼아 거리를 쟀다. 성단마다 거리를 구해 좌표로 바꾸고 평균을 내니, 중심은 궁수자리 방향으로 약 15 kpc 떨어져 있었다. 그 무렵 많은 천문학자는 태양이 별들의 한가운데에 있다고 믿었으므로, 이 결과는 지구가 우주의 중심이 아니라는 코페르니쿠스의 생각을 은하의 규모로 넓힌 것이었다.¹

3.13.2값을 바로잡기

섀플리가 얻은 15 kpc은 오늘날의 값인 약 8.2 kpc보다 두 배 가까이 크다. 당시에는 성간 티끌이 별빛을 줄인다는 것이 알려지지 않아 성단들이 실제보다 어둡고 멀게 계산되었고, 변광성의 밝기 눈금도 정확하지 않았다. 오늘날에는 소광을 보정한 거리로 같은 계산을 하며, 은하 중심의 초대질량 블랙홀 둘레를 도는 별들의 궤도로도 거리를 재어 서로 맞춘다. 은하면 가까이의 성단은 티끌에 가려 덜 발견되므로 목록이 치우쳐 있다는 점도 함께 고려해야 한다.

3.13.3예제 풀이

\(x\)의 평균은 \((4.00 + 12.00 + 7.99 + 7.99)/4 \approx 8.0\) kpc이고, \(y\)의 평균은 \((0 + 0 + 2.91 - 2.91)/4 = 0\)이다. 그래서 은하 중심은 \(l = 0°\)인 궁수자리 방향으로 약 8.0 kpc 떨어져 있다.

모든 거리를 1.8배로 잡으면 좌표도 모두 1.8배가 되므로 평균도 1.8배인 약 14.4 kpc이 된다. 섀플리의 15 kpc과 비슷하다. 방향은 그대로이므로 태양이 중심이 아니라는 결론은 바뀌지 않는다. 즉 은하의 헤일로에 고르게 퍼진 구상 성단의 평균 위치로 은하 중심을 찾을 수 있고, 거리의 잣대가 틀리면 방향은 맞아도 거리가 틀린다.

아래 탐구 카드에서 구상 성단 157개의 은경, 은위, 거리를 직교 좌표로 바꾸어 평균을 내고, 은하 중심까지의 거리를 구해 보자.

1. 1920년 섀플리와 커티스는 우리은하의 크기와 나선 성운의 정체를 두고 공개 토론을 벌였다. 섀플리는 은하의 크기에 대해서는 대체로 옳았지만 나선 성운이 우리은하 안에 있다고 보았고, 이 문제는 1923년 허블이 안드로메다의 세페이드를 찾으며 풀렸다.