생각만큼 어둡지는 않은 암흑성운

<그림 1. 대표적인 암흑성운인 말머리 성운(horse head nebula, IC434)>

 

암흑성운은 지구과학 교육과정에서도 다루는 중요한 성운 중 하나이다. 대표적인 것은 그림 1에도 있는 말머리 성운인데, 말머리 성운 외에도 수 많은 암흑성운이 많다. 오늘은 암흑성운을 주제로, 교과서에서는 깊이있게 다루지 않지만, 천문학자들에게는 중요한 내용을 다루어 보고자 한다.

  1. 암흑성운이란?

성간물질(Interstellar medium, ISM) 중에서 빛을 내지 못하는 천체를 말한다. 성운 뒤에있는 별빛이 이를 통과하지 못하여 검게 보이는 성간물질을 통칭한다. 주의할것은 가시광선에서 보았을 때 어둡다는 것이지 다른 파장에서도 어두운것은 아니다. 

 

  2. 어떤 물질로 되어있나?

대부분의 성간물질이 그렇듯, 암흑성운 역시 대부분 가스로 되어있고, 그 중에서도 수소가 가장 많은 양을 차지한다. 내부 온도가 10K~30K정도 수준으로 굉장히 낮기 때문에, 대부분의 물질은 분자로 되어있으며, 다른 성간물질에 비해 밀도가 높은 편이다. 특히 이렇게 분자가 많이 모인 곳을 분자운(molecular cloud)이라고 하며, 덩어리가 제법 커서 태양 질량의 10^6~10^7배에 크기가 600광년에 이르는 것들은 거대 분자운(gianr molecular cloud, GMC)라고도 부른다. 이름에서도 알 수 있듯, 대부분 분자로 되어 있는데, 그 중에서도 비교적 많은 것은 아래와 같은 분자들이다.

 

CO, NH3, N2H+, HCN

 

이들 물질이나 미량 포함된 성간 티끌 등이 후방 별빛이나 내부의 빛을 흡수내지 산란하여 어둡게 보이는 것이다.

  3. 어떻게 관측할까?

  수소분자(또는 원자)가 가장 많은 양을 차지하지만, 이 아이들은 천문학자들이 주로 보는 파장대역에서 빛을 내지 않기 때문에, 주로 미량이 포함된 NH3, N2H+, HCN, CO 등이 회전 천이에서 방출하는 전파나 적외선을 관측하여 내부 구조를 본다. 암흑성운이라는 것은 어디까지나 가시광선에서 어둡다는 것이지, 적외선이나 전파에서는 빛을 내며, 특히 밀도가 높은 곳에서는 제법 전파를 방출할 수 있다.

<그림 2. 허셜 우주망원경이 250um에서 관측한 말머리 성운>

  4. 암흑성운의 중요성

사실 성운이라는 것 자체는 별을 연구하는 천문학자들에게는 별빛을 약하게 만드는 원인이 되어, 어떤 측면에서는 꾀 귀찮은 존재이기도 하는데, 암흑성운 자체가 가지는 의미는 남다르다. 암흑 성운 중에서도 밀도가 제법 높고, 질량이 충분히 크며, 온도가 낮은 곳에서는 새로운 신생별이 탄생할 수 있기 때문이다. 물론 이런 곳 이라 하더라도 가시광선에서는 단순하게 어둡게만 보이기 때문에, 가시광선으로 연구할 수는 없고 전파나 적외선으로 연구한다. 대표적인 망원경이 유럽에서 올린 허셜 우주 망원경(Herschel space telescope)이다. 허셜 우주망원경은 우주에 있는 많은 암흑성운을 적외선 영역에서 관측하여 내부 구조를 자세히 파악하였는데, 신생별이 많이 만들어지고 있는 곳에서 필라멘트 형태의 구조를 발견했다고 한다. 우리가 잘 알고 있는 말머리 성운 조차도 적외선에서는 빛을 내고 있는것을 알 수 있다. 그림 2가 허셜이 관측한 말머리 성운이다. 허셜 우주망원경이 촬영한 데이터를 필자가 jpg로 변환한 것이다. 그림 1과 같은 가시광선에서 촬영한 사진과 비교해보면 차이점을 확연히 알 수 있다. 적외선에서 관측한 내용을 보면, 가시광선에서 어둡게 보이는 영역에서 오히려 굉장히 많은 빛이 방출되고 있음을 확인할 수 있다.

<그림 3. 허셜 우주망원경이 관측한 말머리 성운과, 가시광선에서 촬영한 말머리 성운의 비교>

 이 뿐만이 아니다. 버나드 68(Barnard 68)이라는 암흑성운 중에서는 말머리 성운 만큼 유명한 아이가 있는데, 이 아이 역시 적외선으로 관측하면 가시광선에서 어두운 영역에서 많은 적외선이 방출되고 있음을 볼 수 있다.

<그림 4. 버나드 68의 가시광선 영역과 전파영역 촬영 사진>

그림 4가 버나드 성운의 가시광선과 전파 영역 사진이다. 적외선 관측 사진은 마찬가지로 허셜 우주망원경이 촬영한 데이터를 필자가 Jpg로 변환한 것이다. 

이들 구조를 자세히 보고 연구하면, 암흑 성운 중에서도 신생별이 활발하게 탄생하고 있는 영역들이 있으며, 이런 아이들은 천문학자들의 맛집(?)이 된다.

 

 

**사진 출처**

그림 1 : skyandtelescope.org/online-gallery/horsehead-nebula-and-flame-nebula-in-lrgbhalpha/

그림 2 : ESA Herschel Science Archive FITS file 다운로드

그림 3 : 외국 사이트인데 출처가 잘....ㅠㅠ, ESA Herschel Science Archive FITS file 다운로드

그림 4. : www.eso.org/public/images/eso9924a/ , ESA Herschel Science Archive FITS file 다운로드