지구과학 고3 은하와 우주 심화

우주 거대 구조

은하단·초은하단·거대 공동(보이드)로 구성되는 우주의 거품 구조를 이해한다.

은하들이 고르게 흩어져 있지 않고 은하군·은하단·초은하단과 이들을 잇는 필라멘트를 이루며, 그 사이에 은하가 거의 없는 거대 공동(보이드)이 놓인 거품 모양의 구조입니다.

비눗방울 거품을 떠올려 보세요. 물질(은하)은 거품의 얇은 막과 막이 만나는 선에 몰려 있고, 거품 안쪽(보이드)은 텅 비어 있습니다.

쉽게 말하면

우리 은하 같은 은하는 혼자 떠다니지 않습니다. 수십 개 규모로 모이면 은하군, 수백~수천 개 규모로 모이면 은하단이라 부릅니다. 우리 은하는 안드로메다 은하 등과 함께 국부 은하군에 속해 있습니다. 은하단이 다시 여러 개 모여 초은하단을 이루고, 초은하단들은 가느다란 실 모양(필라멘트)으로 서로 이어져 있습니다.

1980년대 이후 많은 은하의 위치를 한꺼번에 지도로 그리자 예상 밖의 모습이 드러났습니다. 은하가 우주에 고르게 퍼져 있을 것이라는 기대와 달리, 은하는 얇은 벽과 실을 따라 몰려 있고, 그 사이에는 지름 수천만~수억 광년에 이르는 거의 텅 빈 영역이 있었습니다. 이 빈 곳을 거대 공동(보이드)이라 합니다.

이 구조를 어떻게 그렸을까요? 은하의 하늘에서의 위치(방향)는 사진으로 알 수 있지만, 거리를 모르면 3차원 지도를 그릴 수 없습니다. 여기서 허블 법칙이 결정적으로 쓰입니다. 은하의 스펙트럼을 찍어 후퇴 속도를 구하고 $d = v / H_{0}$ 로 거리를 환산하면, 방향 + 거리로 3차원 좌표가 완성됩니다. 우주 거대 구조 지도는 결국 수십만 개 은하의 적색 이동을 측정해 만든 것입니다.

왜 우주는 이런 모양이 되었을까요? 초기 우주에는 밀도가 아주 미세하게 높은 곳과 낮은 곳이 있었고, 중력이 그 차이를 증폭시켜 높은 곳은 더 모이고 낮은 곳은 더 비워졌습니다. 이 미세한 씨앗의 흔적이 우주 배경 복사의 온도 얼룩으로 남아 있습니다. 다만 눈에 보이는 물질의 중력만으로는 138억 년 안에 이만한 구조가 자라지 못하기 때문에, 여기서도 암흑 물질과 암흑 에너지가 필요해집니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

계층 구조 — 별에서 초은하단까지

별 → 성단 → 은하 → 은하군·은하단 → 초은하단 → 필라멘트와 보이드가 이루는 거품 구조. 각 단계마다 크기가 대략 수십~수백 배씩 커집니다. 우리 은하는 국부 은하군에, 국부 은하군은 더 큰 초은하단 구조의 일부에 속합니다.
예시 2

적색 이동 탐사가 그린 지도

지구를 꼭짓점으로 하늘의 한 부채꼴을 잘라, 그 안의 은하들을 적색 이동 순서로 찍으면 은하가 실처럼 이어진 벽과 텅 빈 구멍이 번갈아 나타납니다. 은하가 고르게 뿌려져 있었다면 이런 무늬는 생기지 않았을 것입니다.
예시 3

은하단 안에서는 허블 법칙이 안 통한다

은하단에 속한 은하들은 서로의 중력에 붙잡혀 이리저리 움직입니다. 그래서 적색 이동만으로 거리를 환산하면 이 운동 때문에 거리 방향으로 길쭉하게 늘어진 모양이 나타납니다. 팽창은 중력에 묶이지 않은 큰 규모에서만 지배적입니다.

자주 하는 오해

'우주는 균일하다'와 '우주는 어디나 똑같이 생겼다'를 같은 말로 보기

이렇게 생각하기 쉬움우주가 균일하다고 배웠으니 은하는 우주에 고르게 흩어져 있을 것이다

실제로는작은 규모에서는 은하가 뭉치고 비는 구조가 뚜렷하고, 아주 큰 규모(수억 광년 이상)로 평균을 내야 비로소 균일해집니다.

'우주 원리'가 말하는 균일성은 충분히 큰 상자로 잘라 평균을 냈을 때의 이야기입니다. 모래사장이 멀리서 보면 매끈해도 가까이 보면 알갱이가 뭉쳐 있는 것과 같습니다. 우주 거대 구조는 바로 그 '알갱이가 뭉친' 규모의 모습입니다.

거대 공동을 '아무것도 없는 진짜 빈 공간'으로 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움보이드는 물질이 하나도 없는 완전한 진공이다

실제로는보이드는 은하의 밀도가 주변보다 훨씬 낮은 영역이며, 은하가 아주 없지는 않고 희박한 기체와 암흑 물질도 존재합니다.

구조 형성은 '있던 물질이 중력에 끌려 나오는' 과정입니다. 밀도가 낮은 곳의 물질이 밀도가 높은 곳으로 빨려 들어가면서 상대적으로 더 비워진 것이지, 처음부터 텅 빈 구멍이 뚫려 있던 것이 아닙니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

우리 은하고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

허블 법칙고3

같은 단원의 개념 — 은하와 우주

빅뱅 우주론고3 암흑 물질과 암흑 에너지고3 우리 은하고3 우주 배경 복사고3 은하의 종류고3 적색 이동고3 허블 법칙고3 허블 상수와 우주 나이고3 헬륨 풍부도고3 활동 은하(퀘이사·세이퍼트)고3

자주 묻는 질문

Q1우주 거대 구조는 지금도 커지고 있나요?

구조 자체는 중력으로 계속 자라지만, 우주 팽창(그리고 가속 팽창)이 물질을 서로 떼어 놓는 방향으로 작용해 성장 속도를 늦춥니다. 이미 중력으로 묶인 은하단은 팽창과 상관없이 그대로 유지됩니다.

Q2은하단의 질량은 어떻게 재나요?

은하단 안 은하들의 운동 속도가 얼마나 빠른지를 보고, 그 속도로도 흩어지지 않으려면 얼마만큼의 중력(질량)이 필요한지를 역산합니다. 이렇게 얻은 질량이 눈에 보이는 물질의 질량보다 훨씬 크다는 것이 암흑 물질의 근거 중 하나입니다.

Q3우리 은하도 다른 은하와 충돌하나요?

국부 은하군의 은하들은 서로 중력으로 묶여 있어 우주 팽창에 따라 멀어지지 않습니다. 안드로메다 은하는 실제로 우리 쪽으로 접근하며 청색 이동을 보입니다.

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

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

오류 신고하기

이 지도를 그리는 데 쓴 거리 자를 다시 볼 차례입니다. 허블 법칙에서 적색 이동이 어떻게 거리로 바뀌는지 확인해 보세요.

전체 연결 구조가 궁금하다면

초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.

우주 거대 구조 지도에서 확인하기 →