인터뷰365 하정열 칼럼니스트 = 밤하늘에 무수히 떠 있는 별들도 끼리끼리 모여 집을 짓고 산다. 가장 대표적인 별들의 집은 태양계와 은하다. 은하가 대도시이고 태양계가 소도시라고 본다면, 나이들어 늙어가는 별들은 대도시 속에 양로원에 모여 서로를 의지하며 살아간다. 그 양로원을 우리는 구상성단(球狀星團)이라 부른다.

구상성단은 수만 개에서 수백만 개의 별이 매우 좁은 영역에 역학적으로 묶여 있는 별들의 집단을 말한다. 그 이름이 의미하듯이, 구상성단은 모양이 공과 같으며, 그 공의 반경은 수십 광년에서 수백 광년 정도이다. 구상성단은 우리은하에서 가장 오래된 천체이며, 별의 생성 및 진화이론, 현대우주론 등 현대 천문학의 다양한 이론을 검증하는데 중요한 천체이다.

지금까지 우리은하에서 발견된 160여 개의 구상성단은 우리은하의 헤일로, 팽대부, 그리고 두꺼운 원반에 주로 존재한다. 우리은하의 원반과 중심영역에는 밀도가 매우 높은 먼지구름들이 강한 성간흡수를 일으켜 관측이 매우 어렵기 때문에, 우리은하의 중심 너머 반대편에 아직 관측이 되지 않은 수십 개의 구상성단이 있을 가능성이 있다.

구상성단은 비슷한 나이와 화학조성을 갖는 별들로 구성되어 있기 때문에 초기 우주에서의 별생성 및 항성진화이론을 검증할 수 있는 좋은 환경을 제공한다. 또한 구상성단의 중심부는 별의 밀도가 매우 높기 때문에 항성역학을 연구하기에 적합하다. 구상성단은 우리은하뿐만 아니라 매우 다양한 형태의 은하에서 존재하기 때문에, 구상성단이 속한 모은하의 형성과 진화를 연구하는데 중요한 실마리를 제공한다.

일반적으로 구상성단의 크기는 세 가지 반경을 사용하여 표시한다. 중심반경은 성단 중심부 밝기의 절반이 되는 표면밝기를 갖는 반경이며, 유효반경은 성단 전체 밝기의 절반을 방출하는 지역까지의 반경이다. 조석반경(tidal radius)은 성단 구성원 별의 밀도가 급격히 0으로 떨어지는 지역의 반경이다. 이 반경보다 바깥에 있는 별들은 우리은하의 조석력에 의해 구상성단을 탈출한다.

구상성단은 우리은하에서 가장 오래된 천체들이다. 우리은하 구상성단의 나이는 관측오차 범위 내에서 잘 일치하며, 우주론적인 우주의 나이와도 모순이 없는 것으로 생각된다.

이러한 구상성단은 구형의 항성의 모임으로, 은하중심의 주위를 마치 위성처럼 돈다. 구상성단은 중력에 의해 단단히 유지되고 있으며, 이에 따라 구형의 모양을 유지하고, 중심으로 들어갈수록 별의 개수밀도가 높아진다.

특히 은하의 헤일로에서 발견되는 구상성단은 은하원반에서 발견되는 산개성단과 비교하여 별이 상당히 많고, 또 훨씬 늙은 별들로 이루어져 있다. 구상성단은 제법 흔한 천체로서, 현재까지 160여 개의 구상성단이 우리은하에서 발견되었다. 큰 은하일수록 구상성단도 많을 것으로 추정되며, 안드로메다 은하는 500개 정도의 구상성단을 가지고 있을 것으로 알려져 있다. 이 구상성단들은 반지름 40킬로파섹(약 131,000광년) 또는 그 이상에 달하는 궤도로 은하 주위를 공전한다.

국부은하군의 질량이 충분한 은하는 모두 한 무리의 구상성단을 거느리고 있으며, 지금까지 관측을 통해 발견된 거의 모든 큰 은하들은 구상성단을 가지고 있다. 특히 궁수자리 왜소타원은하와 큰개자리 왜소은하는 우리은하에게 구상성단을 빼앗기고 있는 과정 중인 것으로 보인다.

지금까지 관측 결과 은하의 별들 중 가장 먼저 만들어진 별들이 구상성단 안에 포함되어 있는 것으로 보이나, 은하 진화에 있어 구상성단의 기원과 역할은 아직 불확실하다. 구상성단이 왜소타원은하와는 명확히 다른 존재이며, 구상성단의 형성은 모은하의 항성 형성의 일부라는 것은 확실해 보인다. 최근 천문학자들은 구상성단과 왜소 구형은하가 서로 명확히 구분될 수 있는 천체가 아닐 수도 있다는 추측을 제기하고 있다.

구상성단에는 금속이 적은 늙은 별들이 수십만 개 모여 있다. 구상성단에서 발견되는 별들의 유형은 나선은하의 팽대부의 그것과 유사하나, 불과 수백만 입방파섹 정도의 부피 속에 집중되어 있다. 가스나 먼지 따위는 거의 찾아볼 수 없으며, 이런 가스 먼지들은 오래 전에 모두 별이 된 것으로 생각된다.

이러한 구상성단은 별의 개수밀도가 매우 높기 때문에 별 사이의 상호작용이나 충돌 등의 현상이 상대적으로 자주 일어난다. 이로 인해 청색 낙오성이나 밀리초 펄사 및 저질량 엑스선 쌍성 등 특이한 별들이 구상성단 내에는 훨씬 흔하다. 청색 낙오성은 아마 별 두 개가 충돌해서 하나로 합쳐진 결과 형성된 것으로 생각된다. 충돌 결과 형성된 별은 구상성단의 다른 별들 보다 온도가 높기 때문에 성단이 만들어질 때 함께 만들어진 주계열성들과 구분된다.

이러한 의미를 담아 그림 ‘구상성단 241501’를 그리고, 시 ‘살가운 집 구상선단’을 지었다.

하정열 칼럼니스트

press@interview365.com

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