은하가 충돌하면 어떻게 되나요?

Paul Sutter는 오하이오 주립대학교의 천체 물리학자이자 COSI 과학 센터의 수석 과학자입니다. Sutter는 Ask a Spaceman, RealSpace 및 COSI Science Now의 호스트이기도 합니다. Sutter는 이 기사를 Space.com의 Expert Voices: Op-Ed & Insights에 기고했습니다.

두 개의 은하계는 볼 수는 없지만 느낄 수 있는 힘에 의해 서로 끌어당겨집니다. 그것은 상호 중력의 매력입니다. 그것은 불가피합니다. 인치 단위로, 광년 단위로, 우주 시계가 영겁의 세월을 거쳐 똑딱거리면서 은하계는 점점 더 가까워집니다.

그들은 그것을 도울 수 없습니다. 그들의 움직임은 수십억 년 전의 작은 불안정성에 의해 설정되었으며 그 이후로 영겁의 세월 동안 더욱 강해졌습니다. 그들이 서로 가까워짐에 따라 은하들은 그들 사이의 얇은 매질을 통해 뻗어나가는 얇은 가스와 별의 덩굴손으로 포옹하기 시작합니다.

그런 다음 충돌합니다. 각각 너비가 100,000광년에 달하는 이 두 개의 거대한 구조에는 수천억 개의 별이 있습니다. 합병 과정에서 태양 100조 개에 해당하는 물질이 충돌하고 혼합되고 점화됩니다. [은하가 충돌할 때: 거대 은하 충돌의 사진]

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그리고 불꽃놀이 후에 무엇이 남나요? 부서지고 희미하며 죽어가는 은하계 — 대재앙 이전 시대처럼 결코 밝게 빛나지 않을 것입니다.

그것은 수억 년에 걸쳐 전해 내려온 비극적인 춤입니다. 그리고 그것은 우리가 최근에야 이해하기 시작한 것입니다.

첫 번째 시뮬레이션
천문학자들은 우리 은하계와 분리된 물체가 있다는 것을 깨닫자마자 평소보다 훨씬 더 지저분해 보이는 일부 은하계를 관찰했습니다. 그러나 은하가 실제로 병합만큼 흥미로운 일을 한다는 것은 즉시 명백하지 않았습니다.

결국, 이 환상적인 물리적 과정이 진행되는 데는 수억 년이 걸리기 때문에 우리가 관찰해 온 몇 십 년이라는 짧은 시간은 드라마가 실시간으로 펼쳐지는 것을 보기에 충분한 시간이 아닙니다. 꽤 오랫동안 천문학자들은 은하들이 활발하게 병합되고 있는지, 아니면 은하의 일부가 모두 이상하고 뭉게 보이는지, 그리고 그것이 우주가 작동하는 방식인지 알지 못했습니다.

시뮬레이션을 통해 궁극적으로 얽힌 은하계의 미스터리가 풀렸습니다. 그러나 놀랍게도 그렇게 한 것은 디지털 시뮬레이션이 아니었습니다. 이 시뮬레이션에서는 컴퓨터를 사용하지 않았습니다.

때는 1941년이었고, 원시 컴퓨터 과학자인 Erik Holmberg는 별 무리가 합쳐지는 행동을 조사하고 싶었습니다. 그러나 그는 실험실에서 수많은 별을 제조하고 수백만 년에 걸쳐 중력적으로 상호 작용하는 것을 지켜볼 수는 없었습니다.

그래서 Holmberg는 영리해졌습니다. 은하계를 표현하기 위해 그는 수십 개의 램프를 배열했습니다. 각 램프는 별, 가스, 먼지 및 기타 은하계 환경의 다양한 구성원으로 구성된 수조 개의 태양 질량을 나타냅니다. 그런 다음 그는 각 램프의 밝기를 해당 은하 덩어리의 중력 인력과 연관시켰습니다. 덩어리가 클수록 램프는 더 밝아집니다.

Holmberg는 다른 모든 램프에서 각 램프에 떨어지는 빛의 총량을 측정했습니다. 이는 은하계의 다른 부분에서 발생하는 중력에 비례합니다. 이 트릭은 빛과 중력이 모두 동일한 역제곱 관계를 따르기 때문에 효과가 있었습니다. 광원으로부터의 거리가 두 배가 되면 중력의 강도와 빛의 강도가 모두 원본의 4분의 1로 떨어집니다. 그런 다음 Holmberg는 주변 램프의 측정된 "중력 당김"을 기반으로 각 램프를 단계별로 재배치할 수 있었습니다.

갯벌 꼬리 이야기
이 매우 조잡하고 단순한 방식으로 Holmberg는 영겁의 시간을 거쳐 두 은하계가 중력을 통해 섞이고 뒤섞이는 상호 작용을 관찰할 수 있었습니다. 그리고 그는 흥미로운 특징을 보았습니다. 은하들이 가까워질 때 별들의 “팔”이 은하들 사이로 뻗어나가고, “반대”가 각 은하의 반대편에 나타나는 것입니다. 결과는 흥미로웠지만 그에게는 더 자세히 조사할 수 있는 계산 능력이 없었습니다.

1970년대가 되어서야 두 형제인 Alar와 Juri Toomre가 이 문제를 재검토했습니다. 은하 병합 동작을 시뮬레이션하기 위해 실제 컴퓨터를 사용하여 그들은 스모킹 건을 발견했습니다. 두 은하가 병합되면 중력 상호 작용으로 인해 가스와 별의 "조석 꼬리"가 발생합니다. 즉, 나선형의 꽉 껴안은 것에서 바깥쪽으로 튀어 나오는 길고 얇은 물질 로프입니다. 합병 이벤트 기간 동안 무기. 이 시뮬레이션된 꼬리는 더듬이 은하와 같은 흥미로운 물체의 사진과 거의 똑같아 보였습니다.

그림은 명확했습니다. 은하가 합쳐지고, 충돌하고, 뒤섞입니다. 그리고 그렇게 하면 그들은 찢어지게 됩니다.

불꽃놀이
중력은 은하들이 서로 만날 때 모양을 왜곡하기에 충분합니다. 그러나 은하 자체는 대부분 (상대적으로) 빈 공간입니다. 별은 은하계 내의 엄청난 양의 공간에 비하면 아주 작은 점에 불과합니다. 이 짐승들이 충돌하는 것을 생각할 때 자동차 충돌을 상상하지 마십시오. 대신 두 벌 떼가 함께 섞이는 것을 생각해 보십시오.

그러나 별들이 일반적으로 서로를 그리워하더라도 불꽃놀이는 여전히 있을 수 있습니다. 은하계에는 헤아릴 수 없이 많은 양의 가스와 먼지가 떠다니면서 해를 끼치지 않고 성운처럼 아무 일 없이 살아가고 있습니다.

그 성운은 오랫동안 지속될 수 있지만 근처의 초신성 충격파 또는 더 적절한 예에서는 두 은하가 서로를 통과할 때의 복잡한 중력 상호 작용으로 인해 충격이 가해지면 스스로 붕괴되기 시작할 수 있습니다. 조각화되고 응축되어 새로운 별 무리를 형성합니다.

두 은하가 합쳐지면 별 형성 속도는 평소보다 최대 10배까지 빨라집니다. 우주의 섬광 속에서 수십억 개의 새로운 별이 탄생합니다. 잠시 동안, 천문학적으로 말하면, 합쳐진 은하계는 그 어느 때보다 더 밝아질 것입니다.

그러나 그 눈부신 모든 것에는 대가가 따릅니다. 그대로 놔두면 은하계는 귀중한 가스 매장량을 마시면서 해마다 조용히 새로운 별을 계속해서 생산할 수 있습니다. 그러나 충돌의 혼란으로 인해 그들은 귀중한 보급품을 너무 빨리 소모하게 됩니다. 수십억 개의 새로운 별이 태어나고, 그 중 대부분은 거대하며, 합병 직후에 소멸됩니다.

그리고 이러한 합병의 최종 결과는 무엇입니까? 웅장한 디자인의 나선형 패턴이 조각조각 찢어졌습니다. 단순한 평면 디스크가 기형 덩어리로 엉켜 있습니다. 늙은 별과 젊은 별의 생생한 혼합은 희미한 불씨(죽어가는 차가운 붉은왜성)만 남기고 타버렸습니다.

희미하고 붉은 별들로만 가득 찬 불규칙 은하계는 이러한 거대한 우주 충돌의 잔재입니다. 그것은 은하계 간의 영광의 순간을 위해 지불된 대가입니다.

"은하계가 충돌하면 어떻게 되나요?" 에피소드를 듣고 자세히 알아보세요. Ask A Spaceman 팟캐스트는 iTunes와 웹사이트 http://www.askaspaceman.com에서 볼 수 있습니다. 이 글을 작성하는 데 질문을 해주신 Jamal과 Danny N.에게 감사드립니다! #AskASpaceman을 사용하거나 Paul @PaulMattSutter 및 facebook.com/PaulMattSutter를 팔로우하여 Twitter에서 자신만의 질문을 해보세요.