우연히 은하 사진 한 장을 보다가 뭔가 이상하다는 느낌을 받았어요. 원반 은하 사진인데, 그 원반 위로 완전히 다른 각도로 도는 고리 같은 게 하나 더 걸쳐 있더군요. 처음엔 사진 합성이거나 망원경 아티팩트인 줄 알았는데, 찾아보니 실제로 존재하는 은하 유형이었습니다. 이름도 있더라고요. 극환은하(polar-ring galaxy).

보통 은하라고 하면 원반이든 타원이든 회전축이 하나예요. 은하 전체가 한 방향으로 돌아가는 게 당연한 전제인 거죠. 그런데 극환은하는 이 전제 자체가 깨집니다. 중심에 있는 원반과, 그 원반을 거의 수직으로 감싸며 도는 고리가 각자 다른 궤도면을 갖고 따로 회전해요. 은하 하나에 회전축이 사실상 두 개 있는 구조인 겁니다.

궁금해서 형성 원리까지 찾아봤는데, 은하 병합에 대해 갖고 있던 제 통념도 하나 깨졌습니다. 보통 은하끼리 부딪히면 그 결과로 타원은하가 만들어진다고 알려져 있잖아요. 하지만 극환은하는 달라요. 덩치 차이가 크게 나는 두 은하가 만났을 때, 큰 은하는 원반 구조를 거의 그대로 유지한 채로 작은 은하를 통째로 흡수해버립니다. 흡수당한 작은 은하의 잔해(가스와 별)는 큰 은하 주위에 고리 형태로 남는데, 원래 궤도 방향을 그대로 유지하다 보니 중심 원반과는 완전히 다른 각도로 돌게 되는 거고요. 병합이 꼭 파괴적인 결과만 남기는 게 아니라, 두 은하의 흔적이 한 몸 안에 층층이 남는 경우도 있다는 게 흥미로웠어요.

대표 사례로 가장 많이 언급되는 건 켄타우루스자리 방향 약 1억 3천만 광년 거리의 NGC 4650A입니다. 원반과 고리가 거의 정확히 수직에 가까운 교과서적인 형태라 늘 대표 이미지로 쓰이는데, 재밌는 건 이 은하가 1998년 허블 우주망원경 대중 투표에서 8천 명 넘는 사람들이 1순위로 뽑았던 천체라는 점이에요. 당시 사람들 눈에도 꽤 낯설고 신기하게 보였던 모양입니다.

다른 사례들을 보면 극환은하가 생각보다 형태가 다양하다는 것도 알 수 있었어요. 큰곰자리의 NGC 2685는 고리가 깔끔한 원형이 아니라 나선형 필라멘트 구조로 얽혀 있고, 물고기자리의 NGC 660은 고리가 원반과 완전히 수직이 아니라 약 45도 정도 기울어져 있는데도 관례상 극환은하로 분류되고요. 게다가 NGC 660은 폭발적으로 별이 태어나고 있는 스타버스트 은하이기도 해서, 조용한 고리 구조와 격렬한 별 탄생이 한 은하 안에 공존하는 모습도 볼 수 있었습니다.

이 고리가 단순히 신기한 외형 이상의 쓸모가 있다는 것도 새로 알게 된 부분이에요. 연구자들은 이 고리의 회전 속도를 이용해서 눈에 보이지 않는 암흑물질이 은하 주변에 어떤 3차원 형태로 퍼져 있는지를 추정하는 도구로 씁니다. 원반 하나만 있으면 그 평면 방향으로만 정보를 얻을 수 있는데, 각도가 다른 고리가 하나 더 있으면 암흑물질 분포를 입체적으로 들여다볼 단서가 하나 더 생기는 거죠. 또 하나 눈에 띄었던 건, 이런 구조가 은하가 밀집한 처녀자리 은하단 같은 지역에서 상대적으로 더 자주 발견된다는 점이었어요. 은하끼리 마주칠 기회 자체가 많아야 이런 흡수 합병도 자주 일어난다는 걸 생각하면 자연스러운 결과 같습니다.

전 세계적으로 지금까지 확인된 극환은하는 100개 안팎이라고 하니, 흔한 구조는 절대 아니에요. 찾아보다 보니 자료가 꽤 있어서 NGC 4650A를 중심으로 나머지 두 사례까지 정리해봤습니다. 관심 있으신 분들은 여기서 더 보실 수 있어요.

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