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- "거대한 파동", 은하 원반 거의 전체에 동심원 파동 생성
- "거대한 파동"은 길이가 3만2000 광년이 넘고 높이는 약 600광년에 달해
- 2020년 1월 보고된 래드클리프파(Radcliff Wave)'보다 3.5배 커
- 외부 교란이 그 배후에 있을 것이라고 추측만 할 뿐 원인 몰라

은하수에서 거대한 파동 발견
"거대한 파동", 은하 원반 거의 전체에 동심원 파동 생성

은하계의 놀라움:
천문학자들은 거대한 동심원 파동이 우리 은하를 가로지르고 있음을 발견했다. 이 "거대한 파동"은 길이가 3만2000 광년이 넘고 높이는 약 600광년에 달한다. 이 파동 안에서 별과 기체는 마치 바다 파도 속 물 분자처럼 위-바깥, 아래-안쪽으로 원을 그리며 움직인다. 이 거대한 은하파의 원인은 무엇이며, 훨씬 작고 가까운 래드클리프(Radcliff) 파동과 관련이 있는지는 아직 밝혀지지 않았다. 

▲ 천문학자들이 발견한 바와 같이, 우리 은하수는 움푹 패여 있을 뿐만 아니라 거대한 동심원파에 의해 물결치기도 한다. © ESA/Gaia/DPAC, S. Payne-Wardenaar, E. Poggio et al (2025)

2020년 1월 네이처(Nature) 저널에 ‘천문학자들은 우리 은하에서 거대한 별의 요람과 가스 구름으로 이루어진 띠를 발견했다’는 논문이 보고됐다. 이것은 당시 우리 은하에서 가장 큰 구조였다. 연구진은 이 거대한 파동이 9천 광년에 달하는 길이를 자랑하며 은하의 주평면을 관통한다고 보고했다. 이 "래드클리프 파동(Radcliff Wave)"의 발견은 우리 은하의 국부적 구조에 대한 150년 된 생각을 반박하며 새로운 의문을 제기했다.

150여 년 전, 천문학자 벤저민 굴드(Benjamin Gould)와 존 허셜(John Herschel)은 밝고 어린 별들, 성간 가스 구름, 그리고 별의 요람들이 밤하늘의 호를 따라 집중되어 있는 것처럼 보인다는 것을 관찰했다. 그들은 태양과 은하계 환경이 은하평면에 대해 20도 기울어진 별, 가스, 먼지로 이루어진 고리, 이른바 굴드 벨트(Gould Belt)에 둘러싸여 있다고 결론지었다.

하지만 이 고리가 실제로 존재하는지, 그리고 이 별의 요람들이 얼마나 큰지는 여전히 불분명하다. 오랫동안 천문학자들은 은하수 내 이러한 대규모 구조물의 거리, 모양, 그리고 범위를 더 정확하게 측정할 기술적 역량이 부족했다. 그러나 유럽 가이아 우주 망원경의 데이터 덕분에 이제 상황이 바뀌었고, 빈 대학교의 조아오 알베스(Joao Alves)와 그의 팀은 이 데이터를 이용하여 굴드 벨트를 더욱 면밀히 조사했다.

▲ 5년전 네이처 저널에 보고된 래드클리프파는 새로 발견된 "거대한 파동"보다 훨씬 작고 우리와 더 가깝다.© Harvard University

별의 요람 성단은 고리가 아니라 거대하고 물결치는 띠의 일부다. "래드클리프 파동"이라고 불리는 이 구조는 길이 약 9천 광년, 너비 약 400광년으로, 우리 은하에서 가장 큰 구조라고 연구진은 보고했다. 이 거대한 "파동"은 우리 은하의 오리온자리 팔 너비의 약 20%를 차지하고, 전체 길이의 40% 이상을 차지한다. 동시에, 은하의 주평면 위아래로 500광년이나 뻗어 있다.

우리 은하가 우리의 본거지이지만, 여전히 많은 놀라움을 안고 있다. 최근 몇 년 동안 천문학자들은 우리 은하 중심부에서 거대한 거품과 "굴뚝"을 발견했을 뿐만 아니라, 오리온 팔에서 약 9천 광년 길이의 래드클리프 파동도 발견했다. 우리 태양 역시 한때 이 별의 요람과 가스 구름의 파동을 통과했다. 게다가 우리 은하수는 평평하지 않고 S자 모양으로 불룩하게 튀어나와 있어 팽이처럼 흔들리며 회전한다.

동심원 이상 현상

이제 천문학자들은 우리 은하에서 또 다른 거대한 구조를 발견했다. 바로 바깥쪽으로 퍼져 나가 별과 가스를 위아래로 휘게 하는 거대한 파동이다. 토리노 천체물리학 관측소의 엘로이사 포지오(Eloisa Poggio)가 이끄는 연구팀은 가이아 우주 망원경의 1만7000개 이상의 어린 거성과 약 3,400개의 변광성에 대한 운동 데이터를 분석해 "거대 파동"을 발견했다.

포지오와 동료들은 놀라운 사실을 발견했다. 우리 은하 외곽 지역에서 별들의 수직 운동 패턴이 거대한 물결처럼 거의 동심원 이상 현상을 보였다는 것이다. 천문학자들은 "이 잔물결은 높이가 500~650광년에 이르며 최소 3만 2천 광년에 걸쳐 뻗어 있다"고 보고했다. "이러한 이상 현상은 우리 은하의 불룩한 모양으로는 설명할 수 없다.“

▲ 별의 수직 운동은 동심원 이상 현상을 드러낸다. © ESA/Gaia/DPAC, S. Payne-Wardenaar, E. Poggio 외 (2025)

5년 전 래드클리프 파동의 최소 3.5배 크기

천문학자들에 따르면, 모든 것이 이 이상 현상이 역동적인 파동임을 시사한다. 이 거대한 동심원 모양의 잔물결 속에서 별과 가스는 위쪽과 바깥쪽으로 움직인다. 연구팀은 더 안쪽으로 별들이 아래쪽으로 움직이는 골을 발견했다. 포지오와 동료들은 "이 구조의 평균 파장은 최소 1,300광년이다"라고 보고했다.

이로 인해 이 "거대 파동"은 이미 알려진 래드클리프 파동보다 훨씬 더 크다. 래드클리프 파동은 3.5배 더 길고, 훨씬 더 높으며, 우리 은하의 다른 지역에 위치해 있다. 천문학자들은 "래드클리프 파동은 태양과의 가장 가까운 지점에서 약 800광년 떨어져 있는 반면, 새로 발견된 파동은 6,500광년 이상 떨어져 있다"고 기술했다. "또한 별들의 바깥쪽 원반에서 훨씬 더 넓은 영역을 덮고 있다." 그들의 추정에 따르면, 이 새로운 파동은 은하수의 절반 이상을 가로지를 수 있다.

"바다의 파도 속 물처럼"

또한 놀라운 점은, 그레이트 웨이브 속 별들의 움직임이 바다의 파도 속 물 분자의 움직임과 유사하다는 것이다. 파도의 꼭대기에서는 물 분자들이 위쪽뿐만 아니라 바깥쪽으로도 움직인다. 물결의 바깥쪽 가장자리에서는 가이아 데이터에서 알 수 있듯이 안쪽으로 움직이는 것으로 반전된다. 따라서 파동 속 별들은 수직 운동과 방사 운동을 모두 보인다.

포지오와 그의 동료들은 "만약 우리의 데이터 해석이 맞다면, 우리는 바다의 파도와 놀라운 유사점을 찾을 수 있다. 바다의 파도 역시 물 입자의 이러한 원운동에 기반한다"고 기술했다. 이는 놀라운 사실이다. 일반적인 가정에 따르면 은하 원반의 수직파는 방사형, 외향 및 내향 운동과 연관되어 있지 않기 때문이다. 연구팀은 "방사형 운동과 수직 운동은 실제로 분리된 것으로 간주된다"고 밝혔다.

▲ 은하 중심 반지름 R에 따른 은하 원반의 수직 단면도. 고밀도 영역은 은하의 나선팔을 측면에서 본 모습이다. 별들은 각 칸의 확률 밀도 함수에 따라 색상으로 구분되어 있으며, 이는 각 칸의 별 개수를 칸 면적당 총 별 개수로 나눈 값으로 계산된다. 여기서 칸 면적은 R에서 60pc, Z에서 30pc이다. (출처:The great wave. Evidence of a large-scale vertical corrugation propagating outwards in the Galactic disc / Received: 26 July 2024 Accepted: 29 April 2025 / Astronomy & Astrophysics)

원인은 아직 알려지지 않았다.

"이것은 이미 복잡한 우리 은하의 모습에 또 다른 요소를 더한다"고 천문학자들은 말한다. 팽대부 모양과 래드클리프파 외에도, 우리 은하에는 거대한 동심원파가 스며들어 있다. 이 파동은 가스와 어린 별들을 원반 평면에서 벗어나 원운동하게 만든다.

그렇다면 새롭게 발견된 이 파동의 원인은 무엇일까? 지금까지 포지오와 그의 팀은 추측만 할 수 있을 뿐이다. 그들은 외부 교란이 그 배후에 있을 것이라고 추측한다. 예를 들어, 근처 위성 은하의 통과나 우리 은하 헤일로에 있는 암흑 물질의 중력적 영향이 있을 수 있다. 천문학자들은 "이번 연구 결과는 우리 은하 원반이 과거 또는 현재에도 교란의 증거를 보여주고 있음을 보여준다"고 말했다.

이러한 교란이 정확히 무엇인지, 그리고 래드클리프 파동과 새롭게 발견된 "거대 파동"의 원인이 같은지는 아직 밝혀지지 않았다. 포지오는 "이 부분에 대해 더 많은 연구가 필요하다"고 말했다.

참고: Astronomy and Astrophysics, 2025; doi: 10.1051/0004-6361/202451668
출처: European Space Agency, Astronomy and Astrophysics

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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