[비즈한국] 우리 은하에서 가장 가까운 거대한 이웃 은하 안드로메다는 우리 은하에서 약 250만 광년 떨어져 있다. 하지만 우리 은하와 안드로메다은하는 강한 중력으로 인해 서로를 향해 돌진하고 있다. 지금으로부터 약 70억 년이 지나면 결국 두 은하는 하나의 거대한 타원 은하로 반죽된다. 현재 우리 지구의 밤하늘을 길게 가로질러 흐르는 은하수의 모습은 사라지고, 더 거대하고 밝게 별들이 둥글게 모여 있는 전혀 다른 모습의 밤하늘을 보게 될 것이다. 70억 년을 다 기다릴 수 없었던 참을성 부족한 천문학자들은 먼 미래에나 완성될 이 새로운 타원은하에게 벌써 별명도 지어주었다. 밀키웨이와 안드로메다를 합쳐서 ‘밀코메다’라고 부른다. 

얼핏 이런 은하들의 충돌과 병합은 빅뱅 이론이 이야기하는 우주 자체의 팽창에 위배되는 것처럼 보일지 모른다. 우주가 팽창하면 은하들은 서로 멀어져야 할 텐데, 우리 은하와 안드로메다은하는 서로 가까워지고 있기 때문이다. 헷갈리기 쉽지만 이는 전혀 우주 팽창에 위배되지 않는다. 우주 자체의 팽창은 훨씬 먼 거리, 거대한 스케일에서 벌어지는 현상이다. 우리가 봤을 땐 250만 광년도 충분히 멀게 느껴지지만, 이 정도 거리에서도 우주 팽창 효과보다는 은하들이 서로를 잡아당기는 중력의 효과가 훨씬 우세하다. 

그래서 실제 우리가 관측하는 은하들의 겉보기 움직임은 굉장히 복잡하다. 우주 팽창에 의해 서로 멀어지는 효과, 그리고 인접한 은하들이 서로 끌어당기는 효과, 이 두 가지가 모두 뒤섞여 있기 때문이다. 그래서 우주 속 은하들의 움직임은 이렇게 이해할 수 있다. 오른쪽에 은하들이 한 무리, 왼쪽에 은하들이 한 무리, 오른쪽과 왼쪽에 두 은하단이 멀찍이 떨어져 있다고 생각해보자. 오른쪽과 왼쪽 각 은하단에 속한 은하들은 서로 가깝게 붙어 있기 때문에 서로의 중력에 의해 점점 가까이 모여든다. 반면 오른쪽과 왼쪽 두 은하단끼리의 거리는 훨씬 멀기 때문에 두 은하단 사이 거리는 우주가 팽창하면서 더 멀어진다. 그래서 시간이 한참 지나고 나면 오른쪽과 왼쪽 각 은하단의 중심에서 크게 반죽된 거대한 은하들이 전보다 훨씬 더 멀리 떨어진 모습이 된다. 

이처럼 우주 전역에 고르게 작용하는 우주 자체의 팽창 효과를 빼주면, 순수하게 서로의 중력에 이끌려 움직이는 은하들의 움직임을 추적할 수 있다. 그런데 천문학자들은 바로 이러한 분석을 통해 굉장히 당황스러운 사실을 발견했다. 우리 은하와 안드로메다를 비롯한 주변의 많은 은하들이 일관되게 우주의 특정한 한 곳을 향해 끌려가고 있다는 것이다. 마치 무언가 아주 강력한 중력으로 주변의 수많은 은하들을 끌어모으는 듯하다. 과연 우리는 무엇에 끌려가고 있는 걸까? 이렇게 끌려간 은하들에겐 수십억 년 뒤 어떤 일이 벌어질까? 

우리 은하를 비롯한 수많은 은하들이 끌려가고 있는 미지의 장소. 대체 그곳에는 무엇이 있을까?

우리 은하와 안드로메다 은하는 100여 개의 왜소은하들과 함께 국부 은하군을 이루고 있다. 국부 은하군 역시 더 거대한 은하 모임의 일부분일 뿐이다. 그리고 이 역시 훨씬 거대한 처녀자리 초은하단의 일부다. 처녀자리 초은하단은 대략 1억 광년 넘는 범위를 아우른다. 처녀자리 초은하단 안에만 100개가 넘는 서로 다른 은하군, 은하단이 바글바글 채워져 있다. 하지만 이것이 끝이 아니다. 2014년 천문학자들은 주변 은하들의 공간 분포와 움직임을 추적했다. 그리고 이 가늠하기도 어려운 거대한 처녀자리 초은하단 역시 그보다 훨씬 더 거대한 초구조의 일부분이라는 사실을 발견했다. 바로 우리 인류, 우리 은하가 속한 가장 거대하고 우주적인 주소, 라니아케아 초은하단이다. 

라니아케아는 하와이 말로 ‘헤아릴 수 없는 하늘’이라는 뜻을 갖고 있는 이름이다. 라니아케아 초은하단은 약 5억 광년 크기를 아우른다. 그 전체 질량만 처녀자리 은하단의 약 100배, 우리 은하의 10만 배를 넘는다. 우리 은하와 같은 덩치 큰 평범한 은하들이 최소 10만 개는 넘게 모여 있는 아주 거대한 구조다. 라니아케아 초은하단은 크게 주요 네 개의 더 작은 초은하단이 모여 있다. 우선 우리가 살고 있는 처녀자리 초은하단, 바다뱀-센타우루스자리 초은하단, 공작-인디언자리 초은하단, 그리고 에리다누스와 화로자리 은하단이 속한 남쪽 초은하단이다. 

간단하게만 생각하면 라니아케아 초은하단은 너무나 거대한 규모이기 때문에 우주 팽창의 물살에 의해 한데 모이지 못하고 뿔뿔이 흩어져야 할 것이다. 하지만 천문학자들이 실제로 확인한 은하들의 움직임은 그렇게 단순하지 않았다. 2022년 천문학자들은 정밀한 시뮬레이션을 통해 이 거대한 범위 속 은하들의 분포가 먼 미래에 어떻게 될지를 추적했다. 약 110억 년 전의 우주부터 현재에 이르기까지 은하들의 움직임을 쭉 적용해서 지금으로부터 200억 년 뒤 먼 미래의 모습까지 추정했다. 암흑 에너지와 우주 팽창에 의해 은하들이 서로 멀어지며 구조가 뿔뿔이 흩어지는 효과와 각 은하가 서로의 중력으로 잡아당기는 효과 두 가지를 동시에 적용했다. 

위 모습은 라니아케아 초은하단 속 은하들이 중력에 이끌려 흘러가는 방향을 선으로 표현한 것이다. 흥미롭게도 선들이 일제히 특정한 한 영역을 향해 모여드는 것을 볼 수 있다. 수억  광년의 아주 거대한 공간에 퍼져 분포하는 은하들이 놀랍게도 우주 팽창의 물살을 거슬러 특정한 한 장소로 끌려가고 있다는 뜻이다. 거대한 수영장 바닥 아래에 있는 작은 배수구 구멍으로 수영장 전체 물이 빠르게 빨려 들어가는 것처럼 말이다. 라니아케아 초은하단 중심에 있는 이 미지의 영역을 거대 인력체(Great Attractor)라고 부른다. 

이렇게나 거대한 범위에서 수많은 은하들을 끌어당길 정도면 그 질량만 해도 우리 은하에 비해서 약 수십만, 수백만 배 가까이 무거워야 할 것이다. 이 미지의 존재는 우리 은하에서 약 2억 5000만 광년 거리에 있는 것으로 추정되며, 주변 수억 광년 이내의 것들을 빠르게 자신 쪽으로 끌어당기고 있다. 거대 인력체의 정체는 크게 두 가지로 추정할 수 있다. 우선 하나는 아주 많은 양의 암흑 물질과 은하들, 질량이 높은 밀도로 한데 모여 있는 또 다른 거대한 은하단이 숨어 있을 가능성이다. 또 다른 하나는 (가능성이 낮지만) 은하단과 은하단 사이 우주 공간을 떠도는 아주 거대한 초초거대 블랙홀과 같은 질량체도 생각해볼 수 있다. 

거대 인력체가 어디에 있는지는 우주 전역의 배경복사를 관측하면 알 수 있다. 과거 천문학자들은 처음에 우주에 띄워올린 우주 망원경으로 우주 배경 복사를 관측했을 때 당황스러운 결과를 확인했다. 사방에 고르게 거의 비슷한 온도로 우주가 식어 있어야 한다고 생각했지만, 너무나 선명하게 우주의 절반은 온도가 차갑게, 나머지 절반은 온도가 뜨겁게 관측된 것이다. 이러한 모습을 우주 배경 복사의 극성(CMB Dipole)이라고 부른다. 

사실 이것은 우주 공간을 가로질러 빠르게 움직이고 있는 우리 은하 자체의 움직임 때문에 벌어진 결과였다. 우리 은하 자체가 거대 인력체를 향해 빠르게 끌려가면서 가까이 다가가는 쪽의 우주는 더 뜨겁게, 멀어지는 쪽의 우주는 더 차갑게 온도가 관측되는 도플러 현상을 겪고 있기 때문이다. (그래서 이러한 우리 은하 자체의 움직임 효과를 보정해야 실제 우주 전역의 고르게 퍼져 있는 순수한 우주 배경 복사를 잴 수 있다.) 이를 통해 천문학자들은 우리 은하가 센타우루스자리 방향에 있는 미지의 질량 덩어리를 향해 약 600km/s의 빠른 속도로 끌려가고 있다는 것을 알 수 있었다. 

우리를 끌어당기는 미지의 존재는 무엇일까? 그쪽 방향의 하늘을 망원경으로 바라보면 확인할 수 있지 않을까? 안타깝게도 그것은 쉽지 않다. 거대 인력체가 하필이면 우리 은하의 원반에 딱 가려지는 방향에 숨어 있기 때문이다. 은하 원반 상에 높은 밀도로 별과 가스 구름이 빽빽히 차 있기 때문에 일반적인 광학 관측만으로는 그 너머에 무엇이 가려져 있는지를 볼 수 없다. 이렇게 우리 은하 원반에 딱 가로막혀서 그 뒤에 무엇이 있는지를 볼 수 없는 제한 구역을 은닉 구역(Zone of avoidance)라고 부른다. 현재 인류가 완성한 가장 방대한 은하들의 분포 지도, 슬로안 전천 탐사에서도 이 은닉 구역만큼은 채워지지 못한 채 비어 있다. 하필 거대 인력체도 딱 이 은닉 구역에 가려져 있기 때문에 여전히 그 정체가 수수께끼로 남아 있다. 

최근에는 가시광뿐 아니라 전파, 엑스선 등 다양한 파장으로 거대 인력체 방향의 하늘을 훑어보는 관측을 하고 있다. 가시광은 우리 은하 원반 속 먼지에 가려져 그 너머를 보기 어렵지만, 전파와 엑스선은 그 너머의 우주를 볼 수 있게 해준다. 실제로 이런 다양한 파장 관측을 통해 거대 인력체 방향 부근에서 새로운 은하단들이 발견되곤 한다. 대표적으로 은하 Abell 3627을 중심으로 은하들이 모여 있는 직각자자리 은하단이 있다. 이 은하단은 우리에게서 약  2억 2000만 광년 거리에 떨어져 있다. 거대 인력체가 있을 것으로 의심하는 딱 그 정도 거리와 방향 부근에 놓여 있다. 하지만 아쉽게도 이 은하단만의 질량으로는 거대 인력체의 어마어마한 중력을 모두 설명하지 못한다. 또 다른 추가 질량이 있어야만 한다. 

그래서 2000년대 천문학자들은 지금까지도 제대로 탐사를 진행해본 적 없는 이 마지막 미지의 영역, 은닉 구역의 남은 지도를 모두 채우기 위해 새로운 관측을 시작했다. 가시광이 아닌 대대적인 엑스선 우주 망원경 관측을 활용하는 CIZA(cluster in zone of avoidance), 말 그대로 은닉 구역 안에 숨어 있는 은하단들을 찾아내겠다는 관측 프로젝트다. 이 프로젝트를 통해 이전까지 알려지지 않은 은하단 200여 개가 발견되었다. 거대 인력체가 있을 것으로 의심되는 방향의 하늘에서도 찾았다. 

특히 2005년 CIZA 프로젝트는 거대 인력체 방향 부근에서 놀라운 구조를 찾아냈다. 바로 라니아케아 바로 옆 섀플리 초은하단의 중심부에 은하들이 밀집되어 있는 것을 새롭게 발견했다. 천문학자들은 이곳을 섀플리 인력체(Shapley attractor)라고 부른다. 이곳은 거대 인력체 너머, 훨씬 더 먼 5억 광년 정도의 먼 거리에 은하들이 밀집한 지역이다. 섀플리 초은하단 자체는 약 8000개의 은하들이 모여 있다. 그 전체 질량만 우리 은하의 약 만 배에 이른다. 물론 거리가 더 멀기는 하지만 그 자체 질량은 우리가 찾고 있는 거대 인력체의 네 배 정도 된다. 

마침 우연히도 섀플리 인력체는 거대 인력체와 비슷한 방향에 있다. 그래서 천문학자들은 우리 은하가 빠르게 끌려가게 하는 데에는 비교적 가까운 거대 인력체뿐 아니라 훨씬 먼 거리에 놓인 이 섀플리 인력체 역시 역할을 하고 있을 거라 추정한다. 훨씬 육중한 섀플리 인력체 자체가 거대 인력체까지 끌어당기고 있기 때문에 거대 인력체에 의해 끌려가고 있는 우리 은하 역시 함께 섀플리 인력체 쪽으로 끌려가게 된 셈이다. 우주 공간을 가로질러 약 600km/s의 속도로 끌려가고 있는 우리 은하의 움직임에서 약 44퍼센트가 거대 인력체에 의한 것이고, 나머지 56퍼센트는 섀플리 인력체에 의한 것으로 보인다. 

이것은 끝이 아니다. 2016년 은닉 구역에서 섀플리 초은하단보다 더 멀리 숨어 있는 또 다른 새로운 초은하단을 발견했다. 천문학자들은 앵글로-오스트레일리안 망원경과 남아프리카 거대 망원경, 남반구에 있는 두 망원경을 활용한 관측을 통해서 약 8억 광년 거리에 은하들이 높은 밀도로 분포하는 새로운 영역을 발견했다. 이 밀집 구역은 돛자리 초은하단이라고 부른다. 이 돛자리 초은하단은 우리 은하의 1000배 정도의 질량을 품고 있다. 물론 거리가 훨씬 멀기 때문에 더 가까운 거대 인력체에 비해 우리 은하를 끌어당기는 효과가 적기는 하지만, 우주 공간을 약 600km/s의 속도로 가로질러 끌려가고 있는 우리 은하의 움직임 중에서 약 50km/s 정도의 속도는 이 돛자리 초은하단의 중력에 의한 것으로 추정된다.

그간 우리 은하 원반 자체에 가려 은닉 구역의 지도는 채워지지 못한 채 남아 있었다. 하지만 다양한 파장을 활용한 끈질긴 관측을 통해 거대 인력체 너머 훨씬 먼 곳에 숨어 있던 새로운 초은하단들을 연이어 발견하고 있다. 이를 가지고 어딘가로 향해 빠르게 끌려가고 있는 우리 은하의 움직임을 조금씩 설명해가고 있다.

우리 은하는 마치 줄줄이 소시지처럼 끌려가고 있는 셈이다. 가장 멀리 놓인 돛자리 초은하단은 섀플리 초은하단을 끌어당긴다. 섀플리 초은하단은 거대 인력체를 끌어당긴다. 거대 인력체는 우리 은하를 끌어당긴다. 하지만 정작 이 미스터리의 출발점이자 가장 가까이에 숨어 있는 거대 인력체의 정체는 여전히 수수께끼로 남아 있다. 더 멀리 숨어 있는 질량 덩어리는 덩치 큰 평범한 은하단이라는 것이 확인되었지만, 가장 가까이에 숨어 있는 거대 인력체도 평범한 초은하단인지, 아니면 우리가 생각지 못한 전혀 다른 방식의 ‘중력 이상(Gravity anomaly)’인지는 아직 밝혀지지 않았다. 

한편 이번 연구에서는 우리가 속한 처녀자리 초은하단의 은하뿐 아니라 주변의 다른 구조를 이루는 은하들의 움직임도 함께 추적했다. 예를 들면 머리털자리 은하단 주변 은하들이 길게 벽을 이루는 일명 ‘우주의 거대 장벽’이 있다. 머리털자리 은하단은 아주 많은 양의 암흑 물질을 품고 있는 구조이기도 하다. 이번 시뮬레이션에도 주변의 수많은 은하들이 일제히 육중한 머리털자리 은하단의 중력에 이끌려 그 중심부를 향해 모여들었다. 라니아케아 옆에 있는 또 다른 구조, 페르세우스-물고기자리 필라멘트 역시 약 1억 광년 길이로 은하들이 연결되어 있는 우주에서 가장 거대한 구조 중 하나다. 이곳을 구성하는 수많은 은하단과 은하 역시 높은 밀도로 질량이 밀집된 중심부를 향해 모여들게 된다. 

이번 연구에서 완성한 라니아케아 초은하단 주변 은하들의 3D 입체 지도는 다음 링크로 직접 확인해볼 수 있다(https://irfu.cea.fr/Projets/COAST/nam8k-interactive.html​). 이리저리 다양한 방향으로 은하들의 입체 지도를 돌려보면서, 시간에 따라 은하들이 어떻게 흘러가는지를 확인해보자. 

이처럼 우리 우주는 서로를 끌어당기는 힘, 그리고 우주 팽창으로 인해 서로를 멀리 떨어뜨리고 밀어내는 힘, 바로 인력과 척력 두 가지 힘의 경쟁과 조화 속에서 진화하고 있다. 크게 보면 우주는 통째로 팽창하며 모든 것이 서로 멀어지기만 하는 것 같지만, 그 속을 들여다보면 분명 더 강한 중력으로 서로를 끌어당기며 우주 팽창의 물살을 버텨내고 있다. 먼 미래 합체하게 될 우리 은하와 안드로메다가 서로를 끌어당기는 중력도, 지구를 비롯한 행성들을 붙잡고 있는 태양의 중력도 모두 우주 팽창의 물살에 대항하며 우주의 아름다운 구조를 완성하고 있다. 

당신과 사랑하는 사람이 맞잡은 손의 악력도 마찬가지다. (억지스러울지 모르지만 분명 천문학적으로 보자면) 분명 두 사람을 둘러싼 아주 작은 시공간의 우주 팽창 효과를 버틴 채 서로를 강하게 붙잡고 있는 셈이다. 138억 년째 이어지는 이 거대한 팽창을 이겨내며 꾹 버티고 있는 따뜻한 손의 악력을 느껴보자. 

참고

https://arxiv.org/abs/2201.12315

https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/science/great-attractor.html

https://www.nature.com/articles/s41550-016-0036

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ab9952

필자 지웅배는? 고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 연세대학교 은하진화연구센터 및 근우주론연구실에서 은하들의 상호작용을 통한 진화를 연구하며, 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 하고 있다. ‘썸 타는 천문대’, ‘하루 종일 우주 생각’, ‘별, 빛의 과학’ 등의 책을 썼다.​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​

지웅배 과학칼럼니스트 galaxy.wb.zi@gmail.com​

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