메시에 13의 미스테리( 프로펠라 문양)

(봄철 구상성단 대삼각형)

• Messier13, NGC6205

• 크기 20’(134.7ly)

• 거리 7.1 kpc(23,000ly)

• 은하경도: 59도00분

• 은하위도: 40도54분

• 겉보기등급: 5.78

  
  

작성 야간비행 김민회

Messier 13의 발견

• 거문고자리, 백조자리와 더불어 북반구 여름철 대표별자리의 하나인 허큘리스자리에는 아주 무서운 거미 한마리가 살고 있습니다. 쌍안경으로도 보이는 데 마치 주춧돌에 박힌 솜털 숭숭한 테니스공 같습니다. 겉보기 20분 크기인데, 분해능이 더욱 좋은 망원경으로 보면 마치 독이 오른 더듬이다리로, 6도*8도의 주춧돌(초석)을 이루는 에타별과 제타별의 모서리를 기어 오르는 모습입니다.

  

• 1714년 영국의 천문학자인 Edmond Halley(1656.11.8~1742.1.14)가 처음 발견했는 데, “ zeta별 좀더 가까이에서 보이며 하늘이 맑고 달이 없는 날이면 맨눈으로 보인다” 라고 적었습니다.

• 1764년 Messier가 처음 본 소감은 이렇습니다.” 6월 1일과 2일 밤 어떤 별도 없다고 확신하는 Hercules자리의 한 지점(girdle)에서 새로운 성운 하나를 발견했다. 60배에 1.4m 촛점거리의 뉴트니언 망원경으로 관측결과 중심부가 경계보다 밝고, 찬란하고 아름다운 공모양의 3분 크기였다.”

• 윌리엄 허셜은 1787년 5월 16일 20피트의 망원경으로 관측 후, 좀더 세밀한 관측 기록을 적었습니다. “ 매우 아름다운 별의 성단이다. 중심부가 매우 응집되어 있고 풍부했다. 주변으로 불규칙하게 8~9분 크기로 흩어진 별들이 보인다.” (참고: 동시대를 살다 간 두거성 메시에와 허셜, 그는 가수로 친다면 싱어송라이터’입니다. 자작한 최신의 장비로 좀더 어두운 대상을 발견하는 그를 메시에는 동경했습니다)

일반적인 구상성단의 특성 

• 성단의 중심부에는 3.26광년(1Cubic)내에 약 백개에서 많게는 천개의 별들이 있습니다. 이는 우리 태양의 이웃별들과 비교하면 약 만배의 밀도이며 생명이 살고 있을거란 상상은 할 수 없습니다. 실제로 저배율로 관측하다보면 하나의 별로 착각될 만큼 마치 은하의 핵만 따로 떼 놓은 것 같습니다. 하지만 대부분의 구상성단은 은하(타원)와 구성성분의 양이나 질에서 많은 차이가 있습니다.

   

• 은하의 탄생과 비슷한 시기에 태어난 구상성단은 늙은 별들이 고밀도로 집중되어 모여 사는  은하의 핵과도 유사한 별덩어리입니다. 늙은 별들이 숨지며 새로운 아기별들을 만들어 내기도 하지만 새로운 별을 만들어 낼만한 무거운 원소들이 많이 부족합니다. 때로는 은하의 면(galactic Plane)을 공전하다 별이 될만한 먼지, 가스 등을 채집해 가기도 하거나, 무임 승차한 별들이 새 식구가 되어 성단의 형태를 유지해 가기도 하지만, 힘을 잃은 성단들은 이웃하거나 강력한 중력을 갖고 있는 이웃 은하에게 먹히는 민들레 홀씨가 되는 신세(pllomar 12)가 되기도 합니다.

• 이토록 삭막하고 외톨이이고 태생을 잘 알지 못하는 우리은하 구상성단 중에 허큘리스자리Messier13에는 이유를 알 수 없는 하나의 미스터리가 있습니다. 마치 별들의 밑동아리 일부를 낫으로 깎은 듯 밤새 밀밭에 생긴 ‘미스터리서클’ 같은 것이지요.   

M13의 미스터리: Propeller 문양

• 이 문양의 최초 발견자는 19세기 중반 아일랜드의 Bindon Stoney(1828.6.13~1909.5.5; 빈돈의 형은 전자(electron)란 단어를 최초로 쓴 사람)라는 이야기도 있는데, Bindon은 당시 17세로 동향의 매우 친분이 있던 파슨스가문의 로시경을 도와 주는 도움 역할을 했을 것으로 생각되어, 공식적으로 1845년 William Parsons(Rosse, 로시경)가 당시 최대 망원경인 ‘파슨스마을의 괴물(Leviathan of Parsonstown)’로 발견 했다는 것이 최초로 보입니다(그의 아들 Charles Parsons는 1884년 최초로 증기터빈을 발명한 사람입니다) -“기대했던 것보다 밝고 명확하게 분리돼 있다. 특이하게도 두툼한 장식같은 별 무더기들이 공모양의 형체에 주위 공간 속으로 늘어져 있다”

      
         초점거리16m, 구경1.8m 파슨스타운의 괴물         Rosse 백작(1800,6,17~1867,10,31)

• 당시 망원경 미러의 재질은 원소기호 29번의 동 66%와 나머지 주석으로 만든 Speculum metal 이라는 합금인데, 초기 반사망원경의 반사경으로 주로 사용 되었고, 유리 미러가 사용되기 시작한 1850년 이전까지 근 200년 동안 사용되었습니다. 하지만 반사율이 고작 60퍼센트에도 미치지 못해 Messier, W. Hershel 등 이전의 훌륭한 천문가에게는 속속들이 성단의 별들을 분해하거나 이 프로펠라 무늬같은 특징을 찾을 수 있는 기회를 주지 못했습니다.

  
  로시백작의 조수 Bindon B. Stoney(1828.6.13~1909.5.5)가 스케치한 M13과 특이한 무늬

천문학자들의 프로펠라에 대한 견해

• 천문학은 사진기가 발명된 후 급격하게 발전합니다. 성단, 성운, 은하의 위치나 모양을 단순히 점만 찍거나 스케치하던 방식으로 일반적 외형 만을 만족해야 했는데, 사진 기술의 도움으로 뒤에 있거나 흐린 별들의 존재를 찍기 시작하면서 관측 대상들의 정확한 위치와 형체와 특성을 알게 됩니다. Henry Brothers, Dr. Roberts, W.E. Wilson, Scheiner 등이 그들이며 M13을 사진으로 담기 시작합니다

  
  다게레오(Daguerreo)방식의 카메라와 천문가 Henry Drafer, 1860년대

• 로시경이 M13의 프로펠라 존재를 알리고 난 약 50년 후 미국의 천문학자 H. K. Palmer (1855~1903)도  은도금한 동판에 요오드화은의 감광막을 만들어 촬영하는 방식의 다게레오 사진기를 이용하여, 캘리포니아 Lick 관측소의 36인치(구경910미리,초점거리5.1M) 크로슬리 반사망원경으로 M13에서 5,482개의 별을 검출하고 각각 별들의 분포를 조사합니다.
  이하는 그가 1899년 The Astrophysical Journal에 기고한 학술지 중 주요 내용으로 제목은 ‘허큘리스자리 M13의 별들의 분포’이며 성단에서 보이는 프로펠라 문양에 대한 그의 견해도 담겨 있습니다 – “ Hercules 성단에서는 뚜렷한 밝기 차이가 있는 두가지의 별들의 배치가 있다 세어 봤을 때 흐린 별들은 밝은 별로부터 분리돼 있었으며 그 구분 점은 13.5등급이다.

    
  (상)모든 별 (중)어두운 별 (하) 밝은 별                 밝은 별에 대한 흐린 별의 비율
                         (중앙에서 가장자리로 가면서 흐린 별과 밝은 별의 분포도)
  
  

성운기운(nebulous appearance)의 출현은 전적으로 성단의 중심을 향하여 가깝게 모여있는 작은 별 때문으로 보인다. 처음 본 사람들은 흐릿(nebulous)한 무엇이 있다는 판단을 한다. 하지만 밝은 별들 중에 어느 작은 공간을 응시하면 성운이 없을 것 같은 배경으로 분리 된 작은 별들의 빛이 시야에 들어 온다. 안시로 보는 관측자들도 사진과 같은 공감을 한다, 물론 우리는 성단에 성운이 전혀 없다고 주장하는 것은 아니며 다만, 성운 기운의 존재를 증명할 수 없다는 것이다. 흐린 별들이 매우 촘촘히 모여 흔적(wisps)을 만든 것이다. 홀든(Edwin S. Holden)교수 1892년 는 이 지역은 별들이 없는 곳이며 밝은 별들이 하나 또는 두개의 선(line)으로 묶여 있다고 말하며, 이 선들이 마주치는 13개의 교차점을 지목한다. 이들 선들 중 가장 큰 세 개를 Rosse경이 찾은 것이다. 사진은 14등급의 별을 보여 줄 수 없어 이 지역에 별들이 완전히 없는 것처럼 보이는 것이다. 만약 흐린 별들이 보이게 된다면 단지 밝은 별들 사이의 갭의 효과일 것이다. 이것은 흐린 별들이 밝은 별들에 의해서 봉쇄돼 존재하는 것일 뿐이다. 이 밝은 별들의 존재가 광선에 의해서 이 Dark Lanes의 존재를 더욱 또렷하게 한다   - --

Lick Observatory 1899년 9월 H.K. Palmer

• Messier 13에서의 미스터리를 H. K. Palmer 와 Holden교수와 다르게 보는 시각도 있습니다. 다시 말해서 성운이 존재한다는 것이죠.

  Dr. Helen Sawyer Hogg(1905~1993 미국. 캐나다의 천문학자)여사는 “구상성단에 어떤 암흑의 성간물질이 존재할 수 없다는 일반적인 과학적입장을 통찰하지만 그 흔적(features)은 실제로 성운물질이다”라고 생전에 말해 왔습니다.

  하지만 그녀도 이에 대한 확신이 없었는지 그녀의 주장에 대해 그녀의 논리적 분석과 사고 과정을 이렇게 덧붙여 피력해 놓습니다.

  첫째, 심우주에 자리한 대상들과 비교하더라도 그러한 구조는 없는 데, 성간 물질이 존재하려면 은하에서 고위도(은하의 위도)에 자리할 것.

  둘째, 암흑 폭(Dark Lanes)이 작은 편이어서 분해능이 좋은 필터를 사용해 관측할 것.

  셋째, 선(lanes)의 경계에서 별들의 빛 흡수 가능성을 측정해 볼 필요성이 있음.

  넷째, 다른 우주 공간(Deep space)의 구조에서도 그런 것이 발견된다면 두말 할 것도 없이 그것은 그것들의 일부분 임.

  또, 1970년대에 Harry H. Ricker 3세도 구상성단에 성간 먼지 필라멘트의 발견을 발표합니다. 물론 그의 주장은 다른 천문학자들에게 무시되었지만 그의 주장에 따르면, 장노출로 성단에 걸쳐져 있는 띠(streak) 구조가 드러난다고 주장을 합니다. 이같은 주장은 또 있습니다. 1960년 10월 미국 캘리포니아 대학의 천문학자 Morton S. Roberts도 “ 물질이 차폐 효과를 만든다. 성단에서 통계적인 위치 변동에 의한 Dark Region을 설명할 순 없다” 결국 그의 얘기도 백색왜성으로 진화해 가는 적색거성에서 나온 물질이 차폐 효과를 낸다는 것인데..,

  대부분의 구상성단은 늙은 별들의 집합소 이고, 성단의 밝은 별들을 뒤덮으려면 어마어마한 양의 무거운 원소가 필요하기 때문에 주목을 덜 받았습니다.
  
  

• 20세기 들어서면서 - 호그(Dr. Hogg)여사의 피력 가운데 첫째 것과 관련하여 과거, 1920년 윌슨(Wilson)언덕에서 허블(Edwin Powell Hubble, 1889.11.20~1953.9.28)과 시어스 (Frederick Hanley Seares 1873.5.17~1964.7.20 미국의 천문학자)은 M13같은 고 은하 위도(40도N)에 자리한 M3(78도), M5(46도)과 다양한 거리에 있는 성단 M11, M15, M22, M35, M36, M38, M50의 레드닝(Reddening; 천체 본래의 색이 관측자에게 도달하기까지 붉은 기를 띠는 현상) 즉, 차폐가 되는지 여부를 연구합니다. 즉, 은하 면에 가리는 물질이 두껍게 분포되어 있어 별빛이 흐려진다는 주장이죠. 그들의 결론은 13Kpc 거리까지 그런 현상을 발견하지 못했다는 것입니다.

아마추어가 바라 본 M13 Propeller 란?

1)오렌지 무리이다.

우리은하에 있는 별들 중 절반이상이 어떤 형식이든 쌍성을 이루고 있습니다. 구상성단의 중심의 별들도 강한 중력으로 자주 서로 부딪히고, 또는 쌍을 이루는 현상이 발생된다고 합니다. 이러한 조우(contact)로 인하여 생겨나 밝은 빛을 내는 별이 Blue Stragglers(청색거성)인데, 위 그림처럼 밝고 청색을 띠는 큰 오렌지는 청색거성 또는 적색거성이고, 성단의 안쪽에 숨어 가뿐 숨을 내쉬고 있는 오렌지는 백색왜성입니다. 그들과의 광도 차이(그림자)가 프로펠라 모양의 성운기를 만들고 있습니다.

2)큐빅 맞추기다.

노랑, 빨강, 파랑의 각각의 사각 큐빅이 만들어 내는 짜임의 조화이며, 그 사이에 Groove는 마치스펙트럼의 흑체처럼 암흑물질(dark nebulae)같습니다. 육면체 중 우연히 같은 색들이 만나는 면은 스타체인이 형성되며 다른 곳과 대비되어 어둡거나 밝습니다.

로시경의 발견 이후 170년이 지난 현재, 프로펠라의 위치는 중앙에서 동남쪽으로 많이 치우쳐 있어 보입니다. 성단의 공전에 의한 이유라고 치부할 수도 있겠지만 이는 로시경의 스케치가 일부러 프로펠라 형상을 강조하기 위해 중앙에 위치시키지 않았나 봅니다. 하지만 로시경이 파악한 위치가 정확하다면, 첫째 실제 빠른 자전 속도로 인하여 위치가 바뀌었을 수도 있고, 둘째로 실재성단의 표면에 존재하는 ‘성간 물질’이 이동했다고 볼 수도 있을 겁니다. 하지만 성간물질 존재에대한 확신이 없는 지금 천만년 이상의 자전 주기를 갖는 성단으로 봐서는 그림의 위치 설정이 올바르지 않다는 확신을 갖습니다. 예로 들어 현재 M13의 위치는 에타별과 제타별의 선상에서 약 7분정도 우측에 있습니다. 만약 그 일치하는 선상을 넘어 좌측의 또다른 7분거리로 이동한다고 가정하면 약 서기 7000년경이 돼야하는 데, 로시경의 발견 이후 겨우 170년이 흐른 지금 성단의 중앙이 동쪽으로 2분정도 흘렀다고는 보지 않기 때문입니다. 만약 Rosse경의 당시의 위치가 정확하다면 또다른 170년이 지난 2186년 미래에는 이 무늬가 달의 뒷면처럼 보이지 않을 수도 있을 겁니다. 아래 좌측 그림은 1886년 Astronomical Journal 에 실린 그림인데 현재의 모습과 거의 유사합니다

                                                      H.C Markham 의 스케치,1886년              허블사이트의 사진;

(밝은 거성들 사이로 알갱이 같은 작은 별들이 보인다)

3) 틴들현상과 같은 빛의 조화이다.

틴들현상이란(Tyndall Phenomenon):  빛의 파장과 같은 정도 또는 그것보다 더 큰 미립자가 빛의 경로에 분산되어 있을 때 빛이 비추면 광선이 통로에 떠 있는 미립자에 의해 산란되기 때문에 옆 방향에서 보면 광선의 통로가 밝게 나타나는 현상(두산백과에서 인용) 입니다.

좌측의 사진은 성산대교 북단에서 목동 진행방향에 나타나던 현상으로, 저는 이 현상을 ‘죽음의 거대 기둥’으로 불렀습니다. 주로 습기가 있는 여름에 나타나던 현상으로 주변의 다른 대교에서는 보이지 않던 희귀 현상입니다. 교량을 위시한 불빛들의 위치가 변한 탓인지 불행히도 지금은 보이지 않습니다.

우측의 그림 또한 어느 골프연습장의 비 왔던 날 밤 풍경으로 정 가운데 검은 기둥이 하늘에 솟구쳐 있습니다. 물론 이 두 그림의 검은 기둥은 밤의 색깔 그 자체이며 대비되는 번진 빛에 의해 두드러지게 보일 뿐 입니다. 이 현상으로 M13의 프로펠라를 해석할 수는 없겠지만 모두 빛이 만들어 낸 조화입니다.

참고자료;

1. Dark Nebulae, Dark Lanes and Dust Belts -Antony Cooke

2. Dust and Gas in Globular Clusters- Mrton S. Roberts

3. The Distribution of stars in the Cluster Messier 13 in Hercules- H.K. Palmer

4. 학술지 -Examining the Mysterious Dark Lanes과 Dark Lanes in the clusters의 내용 일부

    

   *수년을 보고 또 보았지만 그것이 무엇일까에 대한 해답을 아직 찾지 못했습니다. 그리고 로시경의 발견 2세기가 다되 가는 현재에도 이 미스테리에 대한 자료를 아마추어 천문가들만의 입담에서만 들을 수 있습니다. 아마도 별것 아니거나 또는 비밀로 간직할 중대한 무엇이거나 하기 때문이 아닐까요! 오늘도 누가 가르쳐 주지 않는 이에 대한 해답을 얻고자 망원경을 챙깁니다. 2016.4.1일