나선 은하

나선 은하중의 하나인 바람개비 은하 (Messier 101 또는 NGC 5457로도 알려져있다.)

허블 우주 망원경이 촬영한 나선 은하 NGC4414

나선 은하(螺旋銀河)는 은하를 분류하는 방식 중 허블 분류의 한 형태이다. 다음과 같은 특징을 가진다.

• 은하 전체의 각운동량이 상대적으로 크다.
• 중앙의 은하 팽대부가 은하 원반에 포위된 구조를 가진다.
  • 팽대부는 타원 은하와 비슷한 특징을 가지며, 항성종족II에 해당되는 오래된 항성을 많이 포함하고 있다. 대부분 중심에 초대질량 블랙홀이 존재한다.
  • 원반은 편평한 모습으로 회전하고 있으며, 성간물질과 항성종족I에 해당되는 젊은 항성, 산개성단 등을 포함한다.

허블 우주 망원경이 촬영한 나선 은하 M51의 중심부. 나선형 팔을 따라 H II 영역이나 어두운 줄무늬 모양의 구조가 존재하고있다.

나선 은하는 원반부에 밝은 나선형 팔을 가지고 있기 때문에 그러한 이름으로 불린다. 나선형 팔은 팽대부에서 바깥쪽으로 나선을 그리면서 성장하고 있어, 팔을 따라 어두운 줄무늬 모양의 구조와 H II 영역과 같은 항성 형성이 활발한 공간이 존재한다.

나선 은하의 원반은 커다란 타원형의 은하 헤일로에 둘러싸여있다. 헤일로에는 항성종족II에 해당되는 항성이 존재하는데, 대부분 구상성단을 이루고 있으며 은하 중심 주위를 공전한다.

나선 구조의 기원

나선 은하의 나선형 팔이 왜 있는지에 대한 초기 연구를 한 것은 베르틸 린드블라드다. 그는 항성이 영구적으로 나선형으로 배열되어있을 경우, 어떤 나선팔은 몇 겹으로 말려버려서 현재와 같은 안정적인 모습을 유지할 수 없다는 것을 보여주었다. 은하 원반의 각속도가 은하 중심으로부터의 거리에 따라 차등회전을 하고 있기 때문에, 바퀴의 바퀴살 같이 원반의 움직임에 직각으로 성장하는 팔이 있어도 은하의 회전에 의해 태엽이 감기는 것처럼 감기면서 나선팔이 붙어버린다. 하지만 실제로 은하의 나선팔은 이렇게 되지는 않는다.

소용돌이 구조를 만드는 밀도 파

1964년, C. C. 린과 프랑크 슈가 이러한 문제를 해결하는 이론을 처음으로 제안했다. 그들은 나선팔은 은하 원반에 발생한 나선형 밀도파가 눈에 보이는 것이라고 지적했다. 그들은 원반의 항성의 궤도가 약간 타원 궤도를 그리고 있으며, 그 타원 궤도의 방향이 항성끼리 서로 관계를 가지고 있고, 은하 중심으로부터 거리에 따라 부드럽게 조금씩 변화하고 있다고 추정했다. 항성의 궤도가 이러한 조건을 준시할 경우, 원반의 항성 밀도가 높은 부분이 나선형으로 있게 된다. 따라서 원반의 항성은 현재 우리가 관측한 위치에 계속해서 머물러있는 것이 아니라, 공전을 하면서 나선팔을 통과하는 것이 된다.

이것은 곧잘 정체가 발생하는 고속도로에 비유된다. 정체가 발생하는 구간이 은하의 나선팔에 해당된다. 정체 구간에 있는 차는 계속 그 자리에 머물러있는 것이 아니라, 느린 속도로 달리고 있기 때문에 언젠가 정체 구간에서 벗어나게 된다. 마찬가지로, 나선팔을 구성하는 항성은 항상 같은 것이 아니지만, 나선팔 자체는 항성 밀도가 높은 부분으로 같은 위치에 계속 존재하는 것이다.