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우주 이야기 213 - 초고밀도 은하계의 진화




 인간이 사는 곳에도 인구밀도가 아주 높은 곳이 있고 낮은 장소가 있는 것처럼 은하계에도 별들이 좁은 공간에 빽빽하게 몰려있는 초고밀도 은하계가 있고 서로 널찍널찍하게 별들이 떨어져 있는 은하들이 있습니다. 우리 은하는 후자에 속하는데 우주 초기에는 엄청나게 많은 별들이 좁은 장소에서 옹기종기 모여서 사는 초고밀도 은하 (Ultracompact galaxy, 혹은 Ultra-compact dwarf galaxies (UCD)) 들이 존재합니다. 이들은 사실 새로운 별이 형성되는 않는 휴지기의 은하들인데 왜 어떻게 이들이 형성되었는지는 지금까지 오랜 수수께끼였습니다. 



(우리 은하 (왼쪽) 과 초고밀도 은하 (오른쪽) 의 상대적인 크기. 두 은하는 사실 같은 수의 별을 가지고 있는데 초고밀도 은하의 별의 밀도는 우리 은하의 10 배 이상임. This graphic compares the size of the extremely compact dead galaxies in the early universe with the size of our own galaxy, the Milky Way. The two galaxy types have approximately equal amounts of stars, which means that the density of stars in the compact galaxies is more that 10 times higher than in the Milky way. The researchers have now discovered how these extreme galaxies formed. Credit: NASA, European Space Agency, and S. Toft og A. Feild  )


 이 초고밀도 은하의 진화에 대해서 닐 보어 연구소 (Niels Bohr Institute) 의 연구자들은 새로운 이론을 제시했습니다. 초기 우주에서 최초의 별의 행성된 것 적어도 빅뱅 이후 몇 억년이 흐른 후였다고 생각되고 있습니다. 초기의 은하들은 당연히 별이 거의 없는 상태에서 탄생했으며 주로는 수소와 헬륨, 암흑물질들로 구성되어 있었습니다. 시간이 지나면서 수소를 중심으로 한 가스의 밀도가 상승하면서 초창기 별들이 탄생했고 우리가 아는 별들로 가득한 은하의 모습이 나타났습니다.


 그런데 이 초고밀도 은하는 빅뱅 이후 30 억년 정도 시간이 흐른 후 지금 같은 고밀도에 도달했을 뿐 아니라 새로운 별의 생성도 멈춘 것처럼 보입니다. (여담이지만 지구에서 빛이 온 거리로 100 억 광년 떨어진 천체를 본다면 100 억년의 천체를 본 것이죠. 고성능 망원경은 시간을 거슬러 올라가는 타임머신이기도 합니다) 연구팀은 아마도 이 은하들이 초기에 더 작은 은하들의 충돌과 합체로 형성된 것 같다고 생각하고 있습니다. 하지만 왜 그렇게 빨리 뭉쳐서 좁은 공간에 들어간 것일까요 ? 그리고 왜 새로운 별의 생성을 멈추게 된 것일까요 ?


 아마도 이 초고밀도 은하들은 빅뱅 이후 10 - 20 억년 사이에 고밀도의 가스를 가진 특별한 서브밀리미터 은하 (submillimeter galaxy  SMG) 들에서 탄생한 것 같다고 코펜하겐 대학 닐 보어 연구소의 숀 토프트 (Sune Toft, Dark Cosmology Centre at the Niels Bohr Institute at the University of Copenhagen) 는 추정하고 있습니다. 이 은하들은 두꺼운 먼지 층 아래 막대한 수의 별을 형성하고 있습니다. 이런 은하들이 서로 충돌해서 뭉치게 되면 그 중심부에는 가스 밀도가 급격히 올라가 한꺼번에 수많은 별들이 탄생하게 되며 대부분의 가스들이 동시에 소모되게 됩니다. 그것이 초고밀도의 은하가 탄생 후 곧 새로운 별이 탄생하지 않는 죽은 은하가 된 이유일 것이라고 연구팀은 주장했습니다. 



(초고밀도 은하의 진화. 우주의 나이에 따라 초기 은하에서 퀘이사, 초고밀도 은하, 거대 타원 은하 등으로 발전하게 됨.  This graphic shows the evolutionary sequence in the growth of massive elliptical galaxies over 13 billion years, as gleaned from space-based and ground-based telescopic observations. The growth of this class of galaxies is quickly driven by rapid star formation and mergers with other galaxies. Credit: NASA, ESA, S. Toft (Niels Bohr Institute), and A. Feild (STScI)) 


 아마도 이런 초고밀도 은하들은 오늘날 우리 우주에 존재하는 거대한 타원 은하의 기원이 되었던 것 같습니다. (위의 그림 참조) 어쨌거나 우리가 속한 태양계가 만약 저런 곳에 있었다면 밤하늘의 별의 밀도가 지금과는 비교도 될 수 없을 만큼 높았을 것 같습니다. 잠시 상상해 봤는데 오히려 그렇게 되면 밤하늘을 바라보는 운치가 줄어들지 않았을까요. 역시 과하지 않은 게 더 좋을 것 같습니다.  


 참고 


 Journal Reference:
  1. S. Toft, V. Smolčić, B. Magnelli, A. Karim, A. Zirm, M. Michalowski, P. Capak, K. Sheth, K. Schawinski, J.-K. Krogager, S. Wuyts, D. Sanders, A. W. S. Man, D. Lutz, J. Staguhn, S. Berta, H. Mccracken, J. Krpan, D. Riechers.SUBMILLIMETER GALAXIES AS PROGENITORS OF COMPACT QUIESCENT GALAXIES. The Astrophysical Journal, 2014; 782 (2): 68 DOI: 10.1088/0004-637X/782/2/68




  

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