📌 먼치 POINT

지구의 우주적 주소 체계

• 태양계 → 우리은하 → 국부은하군 → 처녀자리 초은하단 → 라니아케아 초은하단

• 각 단계별 규모와 특성, 상호 운동 관계

• 라니아케아 초은하단: 지름 약 5억 광년의 거대 구조

우주 거대 구조의 형성과 특징

• 빅뱅 이후 미세한 불균일성이 중력에 의해 거대 구조로 성장

• 은하단, 필라멘트, 우주 장벽, 거대 공동으로 구성된 우주 거미줄

• 중력이 만든 우주의 건축물과 물질 분포

관측 한계와 초기 우주

• 관측 가능한 우주: 지름 약 930억 광년, 초은하단 천만 개

• 빅뱅 후 38만 년까지는 관측 불가능한 불투명 상태

• 우주 배경 복사: 관측 가능한 가장 오래된 빛의 흔적

🌍 지구의 우주적 주소

지구 태양계, 오리온 자리 나선팔 우리은하 국부 은하군 처녀자리 초은하단 라니아케아 초은하단. 이것은 다른 사람에게 어느 장소의 위치를 알려줄 때 표현하는 방식입니다. 예를 들어 미국 항공우주국 나사의 본부는 300 Hidden Figures Way SW, 워싱턴 DC, USA에 있습니다.

나사 본부가 미국의 워싱턴 DC라는 도시에 있는 히든 피겨스 웨이 SW 거리에 300번지에 있다는 뜻입니다. 마찬가지로 지구는 라니아케아 초은하단의 처녀자리 초은하단에 국부 은하군의 우리 은하, 오리온 자리 나선팔에 태양계에 있다는 말이 됩니다.

지구에서 시작해 규모를 확장해 대략 여섯 개의 상위 구조물을 거친 결과입니다. 그 마지막인 라니아케아는 측정이 불가능할 정도로 넓은 천상이라는 뜻의 하와이어입니다.

🌌 태양계가 속한 우리은하

이렇게 방대한 규모를 이해하기 위해서는 우주의 하위 구조물과 이들이 모여 만들어내는 상위 구조의 개념을 이해해야 합니다. 태양계가 속한 우리 은하에는 태양과 같은 별이 수천억 개 있습니다. 대부분의 별이 은하 원반의 나선팔에서 태어나는데, 태양계 역시 오리온 자리 나선팔에서 태어났습니다.

태양계는 은하 중심에서 약 3만 광년 떨어진 곳에서 초속 약 220킬로미터의 속도로 은하 중심을 공전하고 있습니다. 지구가 태양을 공전하는 속도가 초속 약 30킬로미터이니 7배 이상 빠릅니다. 은하 중심을 공전하는 별과 가스는 주로 중심에서 5만 광년 안에 있으며, 눈에 보이지 않는 정체불명의 암흑물질은 약 100만 광년까지 뻗어나갑니다.

🏘️ 국부은하군과 이웃 은하들

여러모로 우리 은하와 특성이 비슷하고 가까운 이웃인 안드로메다 은하는 지구에서 약 250만 광년 떨어져 있습니다. 이웃 은하라고 해도 한쪽 은하에서 초신성이 폭발하면 250만 년이 지나서야 다른 은하에서 그 빛을 볼 수 있습니다.

우리 은하와 안드로메다 은하는 중력으로 서로 잡아당기고 있으며 초속 110킬로미터의 속도로 가까워지고 있습니다. 약 40억 년 뒤에 두 은하는 충돌해 하나의 은하가 될 운명입니다. 우리 은하와 안드로메다 은하를 포함해 그 주변에 있는 수십여 개의 작은 은하 무리를 국부 은하군이라고 합니다. 국부 은하군의 지름은 약 천만 광년입니다.

♍ 처녀자리 초은하단의 중력적 지배

국부 은하군은 약 5천만 광년 떨어진 처녀자리 은하단에 초속 400킬로미터의 속도로 끌려가고 있습니다. 처녀자리 은하단은 국부 은하군에서 가장 가까운 은하단으로 수천 개의 은하를 거느리고 있습니다. 거대한 질량으로 국부 은하군을 포함한 여러 은하군과 은하단을 잡아당기고 있습니다.

국부 은하군은 약 500억 년 뒤면 처녀자리 은하단에 합쳐지게 됩니다. 처녀자리 은하단에 끌려가고 있는 은하군 및 은하단을 통틀어 처녀자리 초은하단이라고 부릅니다. 자그마치 지름 1억 광년에 달하는 규모입니다.

🌠 라니아케아 초은하단과 거대 인력체

이 거대한 처녀자리 초은하단조차 거대 인력체라고 불리는 영역을 향해 초속 600킬로미터의 속도로 끌려가고 있습니다. 이 영역은 관측이 어려운 은하수 방향에 있어 한동안 대상을 특정할 수 없었습니다. 그러다 처녀자리 초은하단뿐만 아니라 서너 개의 초은하단과 수십 개의 은하단 역시 거대 인력체를 향해 움직이고 있다는 사실이 드러났습니다.

동시에 은하수에 가려 보이지 않았던 셰플리 초은하단이 전파 관측으로 발견되면서 이 초은하단이 거대 인력체의 실체임이 밝혀졌습니다. 셰플리 초은하단을 포함해 이를 향해 움직이는 서너 개의 초은하단과 수십 개의 은하단을 라니아케아 초은하단이라고 합니다.

🕷️ 필라멘트 구조와 물질의 흐름

라니아케아 초은하단의 질량 구심점인 셰플리 초은하단은 2개의 거대한 필라멘트 구조가 교차하는 지점에 있습니다. 필라멘트를 따라 분포하는 물질은 필라멘트의 교차점을 향해 모여들게 됩니다. 라니아케아 초은하단은 필라멘트의 초은하단과 은하단을 지속적으로 집어삼키게 됩니다.

우리 처녀자리 초은하단도 언젠가는 셰플리 초은하단과 합쳐질 운명입니다. 라니아케아 초은하단보다 상위의 구조물은 아직 찾지 못했습니다. 현대 우주론에 따르면 초은하단은 우주에서 만들어질 수 있는 가장 거대한 우주 구조물입니다. 라니아케아 초은하단의 지름은 약 5억 광년으로 추정하고 있습니다.

🔭 관측 가능한 우주의 한계

원래는 끝이 없는 무한한 우주이지만 빛의 유한한 속도 때문에 관측 가능한 우주의 크기 역시 유한합니다. 현재 관측 가능한 우주의 지름은 약 930억 광년이며, 이 영역 안에는 초은하단이 천만 개가량 있습니다. 그 너머의 영역에 관해서는 우리가 절대 알 수 없으니 우리와 인과적으로 단절된 영역입니다. 존재하더라도 존재하지 않는 것과 다름없습니다.

맑은 밤하늘에는 수많은 별이 빛납니다. 우리 은하에는 이런 별이 수천억 개 있습니다. 우주에는 우리 은하 외에도 수많은 은하가 있습니다. 관측 가능한 우주에는 수천억 개의 은하가 있다고 합니다.

🏗️우주 거대 구조의 형성 원리

별이 모여 은하를 이루듯 은하도 특정 영역에 모여 있습니다. 둥글게 뭉쳐 있는 것도 아니고 우주 전체에 걸쳐 독특한 구조를 이루며 모여 있습니다. 우리 은하에서 별이 밀집되어 있는 영역의 크기는 수만 광년 정도이며, 가장 가까운 안드로메다 은하와는 수백만 광년 떨어져 있습니다. 은하 사이의 공간에는 물질이 거의 존재하지 않습니다.

그래서 개개의 은하는 망망대해와 같은 우주의 빈 공간에 외롭게 떠 있는 별들의 섬 같습니다. 하지만 크게 보면 은하는 서로 모여서 더 큰 구조를 이룹니다. 그물 혹은 거품을 닮은 이 거대한 구조를 우주 거대 구조라 합니다. 거미줄을 닮아 우주 거미줄이라고도 합니다.

⚖️ 중력이 만든 우주의 건축물

이 우주 거대 구조는 은하가 수십에서 수천 개 모인 은하단, 은하들이 줄지어 늘어서면서 은하단 사이를 연결하는 필라멘트, 은하가 밀집해 거대한 벽을 이루는 우주 장벽, 은하가 거의 존재하지 않는 우주의 거대 공동으로 이루어져 있습니다. 거대 공동의 부피는 우주 전체 부피의 약 76%를 차지합니다. 하지만 은하 밀집도는 은하단의 8만 분의 1 수준에 불과합니다.

우주가 처음부터 이런 구조였던 것은 아닙니다. 태초에는 물질이 우주의 전 영역에 고르게 분포했습니다. 그런데 태초의 우주에는 미세한 불균일성이 도사리고 있었습니다. 우주 급팽창 과정에서 에너지가 미세하게 떨리는 양자요동이 물질의 밀도 요동으로 이어지면서 물질이 조금 더 몰려 있거나 덜 몰려 있는 부분이 생겼기 때문입니다.

🌅 빅뱅 초기 우주와 관측의 한계

시간이 흘러 우주가 커짐에 따라 물질이 살짝 더 몰려 있었던 영역은 주변의 물질을 끌어당겨 덩치를 키워 나갑니다. 반대로 물질이 살짝 덜 몰려 있던 영역은 원래 갖고 있던 물질마저 주변에 뺏깁니다. 태초에 뿌려진 불균일성이라는 씨앗은 크고 작은 규모의 천체와 빈 공간, 즉 우주 구조물로 자라나게 됩니다.

하지만 우주가 항상 전체적으로 투명했던 것은 아닙니다. 지금으로부터 약 138억 년 전 빅뱅 이후 약 38만 년이 지난 우주는 마치 밝게 빛나는 구름 같았습니다. 그 당시 우주는 길이로 따졌을 때 지금의 천분의 1 정도였습니다. 부피로는 지금의 10억 분의 1이었습니다.

이토록 높은 에너지로 빽빽이 뭉쳐 있는 광자는 얼마 지나지 않아 중간에 다른 빛이나 물질과 부딪히고 맙니다. 드디어 빅뱅으로부터 38만 년이 지났을 때 광자는 이제 물질을 이루는 기본 입자 중 가장 가벼운 전자마저도 마음대로 움직일 수 없게 되었습니다. 이로써 지난 38만 년간 우주 전체를 지배하던 빛의 제국에서 물질이라는 민족이 완전히 독립하게 되었습니다.

그래서 우리는 초기 우주를 관측할 수 없습니다. 우주의 초기 38만 년 동안은 빛이 우리에게 도달할 수 없는 상태였습니다. 우리가 볼 수 있는 가장 먼 과거의 빛은 바로 빅뱅으로부터 38만 년이 지났을 때의 빛입니다. 이때 하늘의 모든 방향에서 보이는 이 빛을 과학자들은 우주 배경 복사라고 부릅니다. 우리가 관측할 수 있는 가장 오래된 빛의 흔적인 것입니다.

Created by 카오스 사이언스
CC BY 라이선스 | 교정 SENTENCIFY | 에디터 이다은