[하정열 우주화가의 시·그림 우주여행](74) 은하단(銀河團, Galaxy cluster)

인터뷰365 하정열 칼럼니스트 = 하늘의 은하들도 외로워서 서로 모여 함께 살 공동주택을 짓는다. 우리는 이를 은하단이라고 부른다. 우리의 은하수은하도 이러한 은하단에 속해 있다.

즉 은하단은 중력적으로 묶여있는 은하들의 집단 중에서 가장 큰 종류로 수백에서 수천 개에 이르는 은하들이 중력에 의해 서로 묶여있는 집단이다. 은하단은 종종 여러 개의 은하군을 포함한다. 은하군이나 은하단이 여럿이 모여 이루는 구조를 초은하단이라고 부른다. 은하단은 초은하단이 발견되기 전인 1980년대까지 우주에서 가장 거대한 구조로 알려졌다.

은하단의 크기는 약 6백만~3000만 광년이며, 질량은 태양질량의 100~1000조 배 정도 된다. 다만 질량의 구성요소 중 은하가 차지하는 비율은 1%에 불과하며, 9% 정도는 X-선을 방출하는 뜨거운 가스, 그리고 구성요소의 약 90%는 암흑물질과 암흑에너지로 이루어져 있을 것으로 추정된다.

은하단의 이름은 주로 해당 은하단이 위치한 잘 알려진 별자리의 이름을 따서 붙인다. 상대적으로 가까운 우주에서 주목할 만한 은하단은 처녀자리 은하단, 화로자리 은하단, 헤라클레스자리 은하단, 머리털자리 은하단이 있다. 일부는 은하단의 형태나 눈에 띠는 물리량을 통해 별명이 지어진다. 대부분 은하단은 그것에 대한 탐사를 목적으로 작성된 에이벨 은하단 목록에서 결정된다. 더 최근의 탐사에서는 망원경이나 탐사계획의 이니셜과 적도좌표계 상의 천체의 위치로 표현된다.

이러한 은하단은 물질이 중력으로 속박된 구조 중 우주에서 가장 거대한 단위이다. 초은하단은 은하단보다 더 큰 규모의 구조이기는 하지만, 은하단끼리의 미약한 중력에 의해 국소적으로 생겨난 고밀도 구역에 지나지 않는다. 초은하단이 모여 만들어진 구조 또한 마찬가지이다. 즉, 은하단보다 큰 단위의 구조들은 자체적인 중력이 우주를 팽창시키는 힘보다도 약하기 때문에 실제로는 조금씩 흩어지고 있는 중이며, 시간이 지나면 결국 개개의 은하단 단위로 흩어져 버릴 것으로 예측된다.

그러나 은하단은 그와는 반대로 시간이 지남에 따라 구성 은하들 간의 병합이 계속되어 결과적으로 하나의 거대 은하로 합쳐질 것으로 예측된다. 은하단에서는 은하의 밀도가 높아 은하의 진화가 빠르게 진행되어, 은하단의 중심부에는 밝고 무거운 은하들이 많이 보이는데, 이 은하들은 대부분 타원은하이거나 렌즈형은하이다. 이와 다르게 은하단의 외곽부분에는 나선은하와 같은 만기형 은하들이 많이 보인다.

은하단에 있는 은하들은 다수의 은하들이 모여 섞이면서 서로에게 영향을 주기 때문에 주변 환경으로부터 막대한 영향을 받는다. 그 결과로서 나타나는 가장 두드러진 특징은 은하단의 구성원들 중 높은 비율이 항성 탄생이 거의 이루어지지 않는 타원 은하들로 이루어져 있다는 점이다. 이는 특히 질량이 작은 왜소은하들에서 두드러지게 나타나는데, 은하단 바깥에서는 단독으로 존재하는 거의 모든 왜소은하들이 항성 탄생을 활발하게 일으키고 있는 반면, 은하단 내에서는 늙은 별들로만 이루어진 많은 수의 왜소 타원은하가 발견된다. 이러한 구조는 초신성 폭발이나 초대질량 블랙홀의 활동으로 인해 가스들이 은하를 탈출하여 만들어졌다고 추정된다.

규모가 큰 은하단의 경우에는 중심부에 은하단의 골격이 되는 거대 은하가 자리잡고 있는 경우가 많다. 이러한 은하를 ‘가장 밝은 은하단 은하(Brightest Cluser Galaxy, BCG)’라고 부르는데, 중심부의 초거대 블랙홀과 더불어 수조 개 이상의 항성을 거느리고 있으며, 일반 은하보다 훨씬 밝은 헤일로를 가지고 있어 그 반경이 수백만 광년까지 연장되는 경우도 있다. 처녀자리 은하단의 중심 은하인 M87이 대표적이다. 우주에서 발견되는 가장 거대한 종류의 은하들이며, 다수의 은하들이 병합을 거듭할 경우 나타나는 일종의 최종 단계라고 볼 수 있다. 우리 은하와 안드로메다 은하의 병합이 이루어진 결과물도 이러한 형태를 가지게 될 것으로 보인다.

지금까지 형성이 완료된 은하단들은 이미 대부분의 항성 탄생을 끝내고 어느 정도 안정화된 상태지만, 우주 초기에는 이러한 은하단들의 환경은 훨씬 더 다이나믹한 환경이었을 것으로 추정된다. 은하들이 서로 충돌하듯이 은하단 또한 서로 충돌을 일으키며 진화해왔다. 현재에도 관측되는 몇몇 은하단들은 충돌 과정에 있거나, 과거의 충돌한 흔적을 보이기도 한다. 질량의 대부분이 암흑물질로 이루어진 은하단 간의 충돌이기 때문에 암흑물질의 특성을 파악하는 데 중요한 단서로 사용된다.

은하단은 우주에서 밀도가 가장 높은 곳에 존재한다. 이런 곳은 거대한 필라멘트 구조들이 만나는 지점에 주로 있다. 필라멘트 구조에 있는 은하들이 은하단 쪽으로 이동하면서 은하단의 질량과 크기는 더욱 증가한다. 따라서 은하단의 공간분포와 운동 정보는 우주거대구조를 조사하는데 매우 유용하다.

이러한 의미를 담아 그림 ‘은하단241501’를 그리고, 시 ‘우주의 대궐 은하단’을 지었다.