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천체역학/우주측지
Q.은하의 회전운동에 대해 알고싶어요.
2010-02-23
A.우선 타원은하와 나선은하로 나누어 생각해 봅시다. 타원은하의 경우 은하 자체가 회전(자전) 하지 않는 것으로 알려지고 있습니다. 이렇게 된 이유는 일단 간단하게 설명하면 다음과 같습니다.
은하를 만든 성운이 회전하면서 수축하게 됩니다. 피겨 스케이팅 선수가 회전할 때 팔을 벌리고 있으면 천천히 회전하다가 필을 오므리면 빠르게 회전하는 것은 각 운동량이 보존되기 때문인데 각 운동량은 각 속도x반경이 되므로 반경이 작아지면 각 속도가 커져 빨리 돌게 됩니다. 그런데 타원은하의 경우 이 회전운동 에너지를 별들의 운동에너지로 모두 전환되기 때문에 은하 자체의 회전이 없어지게 된 것입니다. 별은 여러 가지 궤도를 갖고 타원은하 내에서 운동하게 됩니다. 현재 타원은하의 형성이론은 나선은하의 충돌, 병합 이론으로 설명되는데 이 경우에도 회전운동에너지가 별 개개의 운동에너지로 전환되는 것으로 설명합니다. 반면에 나선은하는 각 운동량과 회전운동 에너지가 보존되는 경우라 할 수 있습니다. 나선은하의 중심부는 강체 (지구와 같이 딱딱한 물체로 물체를 구성하고 있는 입자들 간의 거리가 변하지 않는 물체) 회전을 하게 되는데 이 회전은 거리에 따라 회전속도가 비례하여 증가합니다. 우리은하의 경우 태양이 있는 근처까지 강체 회전하는 것으로 관측됩니다. 강체 회전은 어디든지 일정한 각 속도로 회전하게 됩니다. 예전에는 우리은하에서 태양 밖은 케플러의 제 3 법칙에 따른 궤도운동을 하는 것으로 생각하여 밖으로 갈수록 급격히 속도가 떨어지는 것으로 생각하였습니다.
그런데 1970년대 후반부터 은하 외곽의 회전 속도를 측정해본 결과 빛을 내는 물질 분포는 그 밀도가 떨어지는데 반하여 은하 밖의 회전속도가 떨어지지 않고 오히려 증가하는 경우도 있는 것으로 나타났습니다. 이러한 이유 때문에 은하의 밖으로 눈에 보이지 않는 물질 - 암흑물질 (dark matter)이 있는 것으로 생각하게 되었습니다. 즉, 이렇게 생각한 이유를 간단히 설명하면, 중력과 원심력이 비기려면
GMm/R^2 = mV^2/R --> 속도 V = (GM/R)^(1/2)
이 되어 거리가 증가할 수록 속도가 떨어지지 않는다면 질량이 증가해야 하기 때문에 은하 헤일로에 보이지 않는 물질이 있어야 한다는 것입니다.
은하의 회전은 전파 혹은 분광관측을 통하여 한 파장의 변화를 관측하여 도플러효과에 의하여 은하 각 부분의 시선방향의 속도를 측정합니다. 이를 이용하여 은하의 중심거리에 따른 회전 속도를 구합니다. 이 회전 속도곡선으로부터 은하의 역학적 질량과 질량의 분포를 구할 수 있습니다.
은하를 만든 성운이 회전하면서 수축하게 됩니다. 피겨 스케이팅 선수가 회전할 때 팔을 벌리고 있으면 천천히 회전하다가 필을 오므리면 빠르게 회전하는 것은 각 운동량이 보존되기 때문인데 각 운동량은 각 속도x반경이 되므로 반경이 작아지면 각 속도가 커져 빨리 돌게 됩니다. 그런데 타원은하의 경우 이 회전운동 에너지를 별들의 운동에너지로 모두 전환되기 때문에 은하 자체의 회전이 없어지게 된 것입니다. 별은 여러 가지 궤도를 갖고 타원은하 내에서 운동하게 됩니다. 현재 타원은하의 형성이론은 나선은하의 충돌, 병합 이론으로 설명되는데 이 경우에도 회전운동에너지가 별 개개의 운동에너지로 전환되는 것으로 설명합니다. 반면에 나선은하는 각 운동량과 회전운동 에너지가 보존되는 경우라 할 수 있습니다. 나선은하의 중심부는 강체 (지구와 같이 딱딱한 물체로 물체를 구성하고 있는 입자들 간의 거리가 변하지 않는 물체) 회전을 하게 되는데 이 회전은 거리에 따라 회전속도가 비례하여 증가합니다. 우리은하의 경우 태양이 있는 근처까지 강체 회전하는 것으로 관측됩니다. 강체 회전은 어디든지 일정한 각 속도로 회전하게 됩니다. 예전에는 우리은하에서 태양 밖은 케플러의 제 3 법칙에 따른 궤도운동을 하는 것으로 생각하여 밖으로 갈수록 급격히 속도가 떨어지는 것으로 생각하였습니다.
그런데 1970년대 후반부터 은하 외곽의 회전 속도를 측정해본 결과 빛을 내는 물질 분포는 그 밀도가 떨어지는데 반하여 은하 밖의 회전속도가 떨어지지 않고 오히려 증가하는 경우도 있는 것으로 나타났습니다. 이러한 이유 때문에 은하의 밖으로 눈에 보이지 않는 물질 - 암흑물질 (dark matter)이 있는 것으로 생각하게 되었습니다. 즉, 이렇게 생각한 이유를 간단히 설명하면, 중력과 원심력이 비기려면
GMm/R^2 = mV^2/R --> 속도 V = (GM/R)^(1/2)
이 되어 거리가 증가할 수록 속도가 떨어지지 않는다면 질량이 증가해야 하기 때문에 은하 헤일로에 보이지 않는 물질이 있어야 한다는 것입니다.
은하의 회전은 전파 혹은 분광관측을 통하여 한 파장의 변화를 관측하여 도플러효과에 의하여 은하 각 부분의 시선방향의 속도를 측정합니다. 이를 이용하여 은하의 중심거리에 따른 회전 속도를 구합니다. 이 회전 속도곡선으로부터 은하의 역학적 질량과 질량의 분포를 구할 수 있습니다.