지구과학 고3 은하와 우주 심화

활동 은하(퀘이사·세이퍼트)

Q: 우리 은하 중심에도 초거대 블랙홀이 있다는데, 왜 우리 은하는 활동 은하가 아닌가요?

블랙홀이 있느냐가 아니라, 블랙홀로 떨어지고 있는 물질이 충분한가가 활동성을 가릅니다. 우리 은하의 중심 블랙홀은 지금 삼킬 물질을 거의 공급받지 못해 조용한 상태입니다. 연료가 없으면 아무리 큰 엔진도 조용합니다.

초거대 블랙홀로 물질이 낙하하며 막대한 에너지를 방출하는 퀘이사·세이퍼트 은하 등 활동 은하를 이해한다.

중심의 초거대 블랙홀로 물질이 빨려 들어가면서, 은하 전체의 별들을 다 합친 것에 맞먹거나 그보다 큰 에너지를 좁은 중심핵에서 뿜어내는 은하입니다. 퀘이사와 세이퍼트 은하가 대표적입니다.

보통 은하가 수천억 개의 촛불이 모여 만든 은은한 빛이라면, 활동 은하는 그 한가운데에 서치라이트 하나가 켜져 있어 촛불 전체를 압도해 버리는 상태입니다.

쉽게 말하면

은하의 종류에서 은하를 모양으로 분류했다면, 활동 은하는 '중심핵이 얼마나 격렬한가'로 나눈 갈래입니다. 보통 은하의 빛은 별에서 나오지만, 활동 은하는 별 전체가 내는 빛에 필적하는 에너지가 은하 지름의 아주 작은 일부에 불과한 중심핵에서 나옵니다.

에너지원은 핵융합이 아니라 중력입니다. 중심의 초거대 블랙홀 둘레에 물질이 원반 모양으로 감겨 들며(강착 원반) 나선을 그리고 떨어지는데, 이때 안쪽과 바깥쪽의 회전 속도 차이로 마찰이 생겨 원반이 수백만 도까지 달궈집니다. 떨어지기 전에 잃은 중력 퍼텐셜 에너지가 열과 빛으로 바뀌는 것입니다. 이 과정은 별의 수소 핵융합보다 질량 대비 훨씬 효율이 좋아, 같은 질량으로 훨씬 많은 에너지를 낼 수 있습니다. 일부 활동 은하는 회전축 방향으로 물질을 거의 빛에 가까운 속도로 뿜어내는 제트를 만들기도 합니다.

퀘이사는 그중에서도 가장 밝고 가장 먼 것들입니다. 너무 멀어 은하의 몸통은 보이지 않고 중심핵만 별처럼 점으로 찍혀서 처음에는 별로 오인되었는데, 스펙트럼의 적색 이동이 엄청나게 크다는 사실이 밝혀지며 허블 법칙에 따라 매우 먼 천체임이 확인되었습니다. 세이퍼트 은하는 상대적으로 가까워 나선 은하의 모양이 그대로 보이면서 중심핵만 유독 밝게 빛나는 은하입니다.

먼 곳을 본다는 것은 곧 과거를 본다는 뜻입니다. 퀘이사가 유독 먼 우주에 몰려 있다는 사실은 우주의 젊은 시절에 이런 격렬한 활동이 훨씬 흔했음을 알려 주며, 이는 우주가 시간에 따라 변해 왔다는 빅뱅 우주론 쪽 증거로도 쓰입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

퀘이사라는 이름의 유래

강한 전파가 나오는 방향을 보니 별처럼 생긴 점광원이 있어 '별 비슷한 것(준항성체)'이라 불렸습니다. 그런데 스펙트럼을 찍어 보니 어떤 별에서도 볼 수 없는 거대한 적색 이동이 나타났습니다. 별이 아니라, 상상하기 어려울 만큼 멀리 있는데도 그만큼 밝게 보이는 천체였던 것입니다.
예시 2

세이퍼트 은하

대부분 나선 은하이며, 은하의 팔은 평범한데 중심핵만 매우 밝고 스펙트럼에 폭이 넓은 방출선이 나타납니다. 방출선의 폭이 넓다는 것은 그 기체가 매우 빠른 속도로 움직이고 있다는 뜻이고, 그만큼 강한 중력원이 중심에 있다는 단서가 됩니다.
예시 3

전파 은하의 제트와 로브

가시광선으로는 평범한 타원 은하처럼 보이지만 전파로 관측하면 중심핵 양쪽으로 길게 뻗은 제트와, 그 끝에 부풀어 오른 거대한 로브가 보입니다. 은하 본체보다 훨씬 멀리까지 뻗기도 합니다.

보통 은하와 활동 은하

구분	보통 은하	활동 은하
에너지의 원천	별 내부의 핵융합	중심 블랙홀로 떨어지는 물질의 중력 에너지
빛이 나오는 곳	은하 전체에 퍼진 별들	은하 지름에 비해 아주 작은 중심핵
방출하는 파장	주로 가시광선	전파부터 X선까지 넓은 영역
대표 예	우리 은하, 안드로메다 은하	퀘이사, 세이퍼트 은하, 전파 은하

자주 하는 오해

퀘이사를 아주 밝은 별이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움퀘이사는 점처럼 보이니 우리 은하 안의 밝은 별의 일종이다

실제로는퀘이사는 대단히 멀리 있는 은하의 활동 중심핵입니다. 점으로 보이는 것은 작아서가 아니라 너무 멀기 때문입니다.

처음 발견됐을 때 '별 비슷한 천체'로 불린 탓에 생기는 오해입니다. 결정적 증거는 적색 이동입니다. 퀘이사의 적색 이동은 우리 은하 안의 어떤 별과도 비교할 수 없을 만큼 크고, 허블 법칙에 따르면 그것은 곧 극단적으로 먼 거리를 뜻합니다. 그렇게 멀리서도 이만큼 밝게 보이려면 방출하는 에너지 자체가 은하 전체에 맞먹어야 합니다.

블랙홀은 빛을 빨아들이는데 어떻게 밝을 수 있느냐고 막히기

이렇게 생각하기 쉬움블랙홀은 빛조차 못 빠져나오는 곳이니, 블랙홀이 있으면 오히려 어두워야 한다

실제로는빛은 블랙홀 안에서 나오는 것이 아니라, 빨려 들어가기 직전에 강착 원반에서 마찰로 뜨겁게 달궈진 물질이 내는 것입니다.

블랙홀 자체는 여전히 검습니다. 밝은 것은 그 바깥에서 대기 줄을 서고 있는 물질입니다. 물질이 나선을 그리며 떨어지는 동안 중력 퍼텐셜 에너지가 열로 바뀌고, 그 뜨거운 원반이 강한 빛과 X선을 냅니다. 즉 활동 은하가 밝은 것은 '블랙홀이 빛나서'가 아니라 '블랙홀이 물질을 삼키는 중이라서'입니다. 삼킬 물질이 떨어지면 그 은하는 다시 조용해집니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

은하의 종류고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 은하와 우주

빅뱅 우주론고3 암흑 물질과 암흑 에너지고3 우리 은하고3 우주 거대 구조고3 우주 배경 복사고3 은하의 종류고3 적색 이동고3 허블 법칙고3 허블 상수와 우주 나이고3 헬륨 풍부도고3

자주 묻는 질문

Q1우리 은하 중심에도 초거대 블랙홀이 있다는데, 왜 우리 은하는 활동 은하가 아닌가요?

블랙홀이 있느냐가 아니라, 블랙홀로 떨어지고 있는 물질이 충분한가가 활동성을 가릅니다. 우리 은하의 중심 블랙홀은 지금 삼킬 물질을 거의 공급받지 못해 조용한 상태입니다. 연료가 없으면 아무리 큰 엔진도 조용합니다.

Q2퀘이사는 왜 먼 우주에만 많이 보이나요?

먼 곳의 빛은 그만큼 오래전에 출발한 빛이므로, 먼 우주를 본다는 것은 젊은 우주를 본다는 뜻입니다. 퀘이사가 먼 곳에 몰려 있다는 것은 우주 초기에 은하 중심으로 떨어질 기체가 훨씬 풍부해 이런 격렬한 활동이 흔했다는 의미이고, 지금 우리 주변에 퀘이사가 드문 것은 그 시기가 지나갔기 때문입니다.

Q3퀘이사와 세이퍼트 은하는 전혀 다른 천체인가요?

중심에 초거대 블랙홀과 강착 원반이 있다는 기본 구조는 같습니다. 차이는 활동의 세기와 거리입니다. 퀘이사는 훨씬 밝고 멀어 중심핵만 보이고, 세이퍼트 은하는 가까워서 은하 본체까지 함께 보입니다. 서로 다른 종류라기보다 같은 현상을 다른 조건에서 보는 것에 가깝습니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 지구과학 · 은하와 우주 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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퀘이사의 거대한 적색 이동이 왜 '아주 멀다'는 뜻이 되는지는 허블 법칙과 적색 이동에서 확인할 수 있습니다.

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