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- 별 형성 영역에는 외곽 경계가 존재한다.
- 은하 중심에서 약 36,000~39,000 광년 떨어진 곳에 있다는 것을 확인
- 이 지점이 바로 오랫동안 불분명했던 별 형성 영역의 외곽 경계

우리 은하: 별 형성의 경계

은하계 균열: 우리 은하에서는 모든 곳에서 새로운 별이 형성되는 것은 아니다. 별 형성 영역에는 외곽 경계가 존재한다. 천문학자들은 이제 이 경계가 정확히 어디에 있는지 밝혀냈다. 분석 결과, 별의 나이 분포는 U자형 곡선을 이루는데, 바깥쪽으로 갈수록 나이가 감소하다가 다시 증가하는 경향을 보인다. 연구팀은 이 곡선의 변곡점이 은하 중심에서 약 36,000~39,000 광년 떨어진 곳에 있다는 것을 확인했다. 이 지점이 바로 오랫동안 불분명했던 별 형성 영역의 외곽 경계다. 

▲ 은하수의 모습. 은하수 원반에서 활발한 별 형성 영역은 어디에서 끝나는가? © ESA/Gaia/DPAC, Stefan Payne-Wardenaar /CC-by-sa 3.0 IGO

우리 태양을 비롯한 우리 은하의 대부분 별들은 은하의 주요 평면인 "얇은 원반"에 위치해 있다. 약 1,000~1,300 광년 두께의 이 원반 안에는 나선팔과 막대 구조가 있으며, 별 형성 또한 이 원반 안에서 일어난다. 대부분의 은하와 마찬가지로, 이 과정은 안쪽에서 바깥쪽으로 진행되었다. 별 형성 활동은 초기에는 은하 중심부의 밀집된 영역에서 발생했으며, 이후 점점 바깥쪽으로 이동해 왔다.

은하에도 이러한 "변곡점"이 있을까?

이러한 "안쪽에서 바깥쪽으로"의 성장은 은하 별들의 나이 분포에 반영된다. 중심에서 바깥쪽으로 갈수록 별들의 평균 나이는 점차 어려지지만, 특정 지점까지는 그렇다. 활발한 별 형성 활동이 일어나는 이 경계를 넘어서면 나이 분포가 반전된다. 바깥쪽으로 갈수록 별들의 나이가 다시 많아지는 것이다. 비록 중심에서 생성되었지만, 수십억 년에 걸쳐 바깥쪽으로 이동해 온 것이다. 결과적으로 별들의 나이 분포는 U자형을 띠게 된다.

▲ 이것은 은하수를 측면에서 본 모습이다. 하지만 은하수의 별 형성 원반에 "단절" 현상이 있는지는 불분명했다. © ESA/Gaia/DPAC, Stefan Payne-Wardenaar /CC-by-sa 3.0 IGO

하지만 중요한 질문은 우리 은하에도 이러한 활발한 별 형성 활동의 바깥쪽 경계와 U자형 곡선이 존재하는가 하는 것이다. 그리고 그 경계는 어디에 위치할까? "이러한 곡선의 변화는 원반형 은하에서 흔히 볼 수 있지만, 우리 은하에도 이러한 형태가 존재하는지는 이전에는 불분명했다"며, "은하 원반 내에서의 우리 은하의 위치와 은하를 가리는 먼지 때문에 이를 정확하게 파악하기 어려웠다"고 몰타 대학교의 칼 피테니(Karl Fiteni)와 그의 동료들은 설명했다.

곡선의 변화

더욱 명확한 결과를 얻기 위해 피테니 교수 연구팀은 두 개의 대형 분광 별 지도인 LAMOST와 APOGEE의 데이터를 분석하고, 여기에 가이아 위성의 데이터를 추가했다. "이러한 독립적인 데이터 세트는 별의 나이를 측정하는 데 서로 다른 방법을 사용한다"고 천문학자들은 설명했다. 분석을 위해 연구팀은 우리 은하 중심에서 약 22,000~65,000 광년 떨어진 약 10만 개의 별의 나이, 위치, 그리고 운동을 평가했다.

그 결과, 천문학자들은 "두 목록 모두 중심에서 약 3만2000광년까지 항성 원반의 안쪽 영역에서 음의 나이 기울기를 독립적으로 보여준다"고 보고했다. "이는 안쪽에서 바깥쪽으로 성장하는 시나리오와 일치한다." 예상대로, 별들은 은하 중심에서 멀어질수록 어려진다. 그러나 약 3만9000광년 이상 떨어진 거리에서는 이 경향이 역전된다.

▲ 은하수 별들의 나이 분포: 곡선은 U자형이다. 꺾이는 부분은 별 형성 영역의 바깥쪽 경계를 나타낸다. © 몰타 대학교

우리 은하는 II형 은하다.

이는 우리 은하의 별 형성 원반의 바깥쪽 경계가 은하 중심에서 3만6700광년에서 3만9600광년 사이에 위치한다는 것을 의미한다. 이 영역은 별 형성이 최소로 감소하고 별의 나이 분포가 역전되는 영역이다. 천문학자들은 "항성 원반 바깥쪽 영역에서 이러한 양의 나이 기울기가 나타나는 것은 우리 은하 원반의 대규모 구조를 이해하는 데 매우 중요하다"고 설명했다.

새로운 데이터는 우리 은하 또한 별의 나이 분포가 U자형임을 확인시켜 준다. 이는 우리 은하 역시 원반 내에서 별 형성의 뚜렷한 단절을 보이는 소위 II형 은하에 속한다는 것을 의미한다. 피타니와 그의 동료들이 설명하는 바에 따르면, 연구 결과 우리 은하에 있는 모든 나선 은하의 약 50~60%가 이 유형에 해당한다.

▲ 균열 너머 별들의 나이가 더 오래된 이유는 그 별들이 안쪽에서 형성되었지만 수십억 년에 걸쳐 바깥쪽으로 이동했기 때문이다. © Joseph Caruana

무엇이 별 형성의 단절을 유발하는가?

"또한 이와 관련하여 중요한 질문은 단절 반경이 어디에 위치하는지를 결정하는 요인이 무엇인가 하는 것이다"고 피테니와 그의 연구팀은 지적했다. 이는 아직 명확하게 밝혀지지 않았다. "한 가지 가능성은 이 단절 영역의 위치가 은하 막대와 관련이 있다는 것이다"고 천문학자들은 설명했다. 은하 막대는 가스의 중요한 이동 경로 역할을 하므로 별 형성 및 은하 구조에 큰 영향을 미친다.

또는 은하 가스의 온도와 밀도 변화, 또는 항성 원반의 "팽대부" 또한 별 형성의 단절에 영향을 미칠 수 있다. "우리 은하에서 단절 반경 너머의 별 형성 감소 원인은 아직 불분명하다"고 천문학자들은 설명했다. 그들은 향후 우리 은하 지도 제작과 가이아 위성의 네 번째 별 목록 데이터가 이 문제를 밝히는 데 도움이 되기를 기대한다.

출처:
Karl Fiteni (University of Malta) et al, Astronomy and Astrophysics, 2026; doi: 10.1051/0004-6361/202558144

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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