[이광식의 천문학+] 우리은하에는 별이 몇 개나 있을까?

은하수는 지구에서 시선방향으로 보이는 우리은하의 가장자리 모습이다. 요즘은 빛 공해가 심해져 은하수를 보기 어렵지만, 캄캄한 밤하늘 지역에서 보면 하늘을 가로질러 뻗어있는 뿌연 띠를 볼 수 있는데, 서양에서는 그리스 신화의 여신 헤라가 흘린 젖이라고 여겨서 ‘밀키 웨이'(Milky Way)라 부른다.

이것이 무수히 많은 별들의 집적이라는 것을 최초로 알아낸 사람은 1610년 자작 망원경으로 은하수를 관측한 갈릴레오 갈릴레이였다. 우리가 맨눈으로 볼 수 있는 전천의 별 수는 대략 5~6000개 정도다. 이들은 육안으로 볼 수 있는 한계인 6등성 이상 밝기의 별들인데, 물론 망원경을 사용하면 더 많은 별들을 볼 수 있다. 그렇다면 우리 은하수 은하에는 대체 몇 개의 별들이 있을까?

뉴욕 이타카 칼리지의 조교수 데이비드 콘라이히는 “끔찍할 정도로 대답하기 어려운 질문”이라고 전제하면서 “일반적으로 은하의 별들은 정확히 셀 수가 없을 만큼 엄청 많기 때문”이라고 덧붙였다.

우리은하와 비교적 가까운 230만 광년 거리의 대형 은하 안드로메다 은하의 경우, 우리는 가장 크고 밝은 별만 구별할 수 있다. 태양 크기의 별은 우리가 보기 어려울 것이다. 따라서 천문학자들은 아래 기술 중 일부를 사용하여 은하의 별 개수를 추정한다.

우리은하의 구조

우리은하는 지름이 약 10만 광년인 막대 나선은하이다. 은하 바깥쪽을 보면 4개의 나선팔(2개는 메이저, 2개는 마이너)로 둘러싸인 중앙 팽대부가 드러날 것이다. 은하수의 주요 팔은 페르세우스자리 나선팔과 궁수자리 나선팔로 알려져 있다. 지구의 태양은 오리온 팔이라고 불리는 두 개의 작은 나선팔 중 하나에 있는 별이다. 우리은하는 수십만 광년 지름의 거대한 가스 헤일로(halo)로 둘러싸여 있다. 천문학자들은 헤일로의 질량이 우리은하에 있는 모든 별들의 질량과 거의 같을 것으로 추정한다. 그러나 우리은하의 별들 중 많은 부분은 보기 힘들다. 은하 중심에 별, 가스, 먼지로 가득 찬 은하 팽대부와 초거대질량 블랙홀이 우리의 시야를 가리고 있기 때문이다. 이 지역의 물질 밀도는 너무 높아서 가장 강력한 망원경을 들이대도 관측 불가다.

20세기 초까지만 해도 천문학자들은 우리은하가 곧 전체 우주라고 생각하고, 우주의 모든 별들이 우리은하의 일부라고 생각했지만, 이런 상식은 미국의 신출내기 천문학자 에드윈 허블에 의해 여지없이 깨어졌다. 그는 당시 최대였던 윌슨산 천문대의 강력한 망원경으로 관측한 결과, 그때까지 우리은하 내의 ‘성운’으로 알고 있었던 안드로메다 은하가 실은 우리은하 밖에 존재하는 수많은 섬우주인 외부은하임을 증명해냈던 것이다.

별의 개수를 알려면 은하의 무게를 재라

천문학자들이 은하에 있는 별의 수를 추정하는 주된 방법은 은하의 질량을 결정하는 것이다. 이것은 은하의 회전과 방출하는 빛의 스펙트럼을 분석하여 알아낼 수 있다. 같은 질량의 은하라 하더라도 별의 유형과 전체 질량에 차이가 있을 수 있다. 콘라이히는 이에 대해 일반론을 말하기는 매우 어렵다고 경고하는 한편, 한 가지 차이점은 우리은하와 같은 나선은하와 타원은하 사이에서 볼 수 있다고 말한다. 타원은하는 나선은하에 비해 K형과 M형 적색왜성을 더 많이 가지는 경향이 있다. 타원은하는 나선은하보다 오래되었기 때문에 진화하는 동안 많은 가스를 방출하는 바람에 성간 가스가 더 적다.

일단 은하의 질량이 결정되면, 또 다른 까다로운 일은 그 질량의 얼마가 별들로 이루어져 있는지 알아내는 것이다. 은하를 이루는 질량의 대부분은 빛을 방출하지 않는 암흑물질로 구성되어 있기 때문이다. “은하를 모델링하고 별의 질량이 몇 퍼센트를 차지하는지 확인해야 한다”고 말하는 콘라이히는 “일반적인 은하에서 회전 곡률로 질량을 측정하면 그 중 약 90%가 암흑물질”이라고 설명한다.

은하계에 남아 있는 대부분의 물질이 확산 가스와 먼지로 구성되어 있기 때문에 콘라이히는 별의 비중은 전체 은하계 질량의 약 3%를 차지할 것으로 추정하지만 이는 다를 수도 있다. 또한 별 자체의 크기는 우리 태양보다 수십 배 작거나 클 수도 있다.

우리은하에는 대략 몇 개의 별이 있을까? 그렇다면 은하수에 몇 개의 별이 있는지 확실히 알 수 있는 방법은 없을까? 우리은하를 맵핑하는 가이아 임무를 수행하는 유럽우주국(ESA)의 과학자 조스 더 브라우너에 따르면, 현재 우리은하 별의 추정치는 1000억에서 4000억 개 사이다. 더 브라우니는 명확한 수치를 알기는 어려울 것이라고 한다.

2013년부터 궤도를 돌고 있는 가이아 탐사선은 326광년 거리까지 태양 주변에 있는 17억 개의 별 위치를 매핑하는 데 성공했다. 천문학자들은 이 수치를 근거로 전체 은하계를 모델링할 수 있지만, 가이아조차도 가장 희미하고 작은 별을 보는 데 어려움을 겪고 있는 만큼 완벽한 수치를 결정하기는 어렵다.

브라우너는 “근본적인 문제는 매우 희미한 적색왜성의 광도(분포)를 측정한 다음, 갈색왜성까지 얼마나 되는지 그 숫자를 추정하는 것”이라고 설명한다.

적색왜성은 우주에서 가장 흔한 별이며 가장 오래 사는 별이기도 하다. 그러나 너무나 어둡기 때문에 식별하기가 어렵다. 갈색왜성은 더 어둡다. 이들은 기본적으로 핵융합을 시작하기에 충분한 물질을 축적하지 못한 실패한 별이다. 따라서 그것들은 별과 행성 사이의 위치하는 중간적인 천체로, 희미한 적색왜성보다 발견하기가 훨씬 더 어렵다.

브라우너는 “전체 이야기에서 두 번째 난관은 이중성인데, 그 빈도가 아직 완벽하게 밝혀지지 않았다”면서 “2025년 가이아의 임무가 끝날 때까지 과학자들이 우리은하의 별 수를 보다 근접하게 알게 되겠지만 상당한 불확실성이 남아 있을 것”이라고 예상했다.

참고로 '코스모스'를 쓴 유명 천문학자 칼 세이건은 4000억 개라는 데 손을 들었다.