우주에서 가장 차가운 장소, 보이드: 우주 거대 구조의 빈 공간

우주는 빈 공간으로 가득 차 있다고 생각하기 쉽지만, 사실 은하와 은하단은 거대한 그물망처럼 얽혀 있습니다.

이 우주적 거미줄에는 은하들이 밀집된 필라멘트(Filament)와 초은하단(Supercluster)이 있는가 하면, 반대로 은하의 밀도가 현저히 낮은 광대한 빈 공간도 존재합니다.

이 비어 있는 듯한 영역을 우리는 거시공동(Cosmic Void) 또는 간단히 보이드(Void)라고 부릅니다.

보이드는 우주에서 가장 차갑고 텅 빈 장소 중 하나이며, 우주의 거대 구조와 진화를 이해하는 데 중요한 단서를 제공합니다.

보이드란 무엇인가?

보이드는 은하들이 거의 존재하지 않거나, 존재하더라도 매우 희박하게 분포하는 거대한 우주 공간입니다.

전형적인 보이드는 직경이 수천만 광년에서 수억 광년에 달하며, 이는 우리 은하의 크기를 훨씬 뛰어넘는 규모입니다.

우주 거대 구조를 해면에 비유한다면, 은하와 은하단이 모여 있는 필라멘트가 해면의 스펀지 부분이라면, 보이드는 스펀지 내부의 텅 빈 구멍에 해당합니다.

가장 유명한 보이드 중 하나는 목동자리 보이드(Boötes Void)입니다.

이 보이드는 약 3억 3천만 광년의 지름을 가지고 있으며, 이 정도 크기의 공간에는 통상 수천 개의 은하가 존재해야 하지만, 목동자리 보이드에서는 고작 60여 개의 은하만이 발견될 정도로 극도로 비어 있습니다.

우리 은하 또한 'KBC 보이드' 또는 '국부 공동(Local Hole)'이라 불리는 상대적으로 비어 있는 영역에 위치하고 있을 가능성이 제기되기도 합니다.

"우주는 스위스 치즈와 같다. 은하가 모여 있는 덩어리들 사이에 거대한 빈 공간들이 존재한다."

보이드는 우주 탄생 초기, 즉 빅뱅 직후의 미세한 밀도 불균일성에서 기원했습니다.

초기 우주에 물질이 균일하게 분포하지 않고 미세한 밀도 요동이 있었는데, 밀도가 높은 영역은 중력에 의해 더욱 많은 물질을 끌어모아 은하와 은하단, 필라멘트 같은 구조를 형성했습니다.

반대로 밀도가 낮은 영역은 물질이 주변의 밀도 높은 곳으로 '빨려 나가면서' 점차 텅 비게 되었고, 이것이 보이드를 형성했습니다.

즉, 보이드는 중력의 작용으로 물질이 빠져나간 '잔여 공간'인 셈입니다.

보이드의 주요 특징은 다음과 같습니다.

극도로 낮은 밀도: 보이드는 우주에서 물질의 밀도가 가장 낮은 영역입니다. 그렇다고 완전히 비어 있는 것은 아니며, 희박하게 분포하는 암흑물질과 소수의 왜소 은하, 그리고 매우 희박한 가스 등이 존재합니다.
차가운 온도: 보이드는 주변의 밀집된 구조물보다 물질 밀도가 낮기 때문에, 은하단과 같은 뜨거운 가스가 존재하지 않아 상대적으로 온도가 낮습니다. 우주에서 가장 차가운 자연적인 장소 중 하나로 꼽히는 '부메랑 성운'의 온도가 절대영도에 가깝지만, 보이드 전체의 평균 온도는 그보다 높습니다. 하지만 은하가 거의 없는 특성상 주변 환경보다는 훨씬 차갑습니다.
보이드 은하: 보이드 내에 존재하는 은하들을 '보이드 은하(Void Galaxy)'라고 부릅니다. 이들은 외부 은하와의 상호작용이 거의 없기 때문에, 주변 환경의 영향을 덜 받아 고립된 환경에서 진화하는 경향이 있습니다. 보이드 은하들은 일반적으로 주변 은하들보다 별 형성률이 높고, 색깔이 더 푸르며, 금속 함량이 낮은 특징을 보이기도 합니다. 이는 외부 환경의 방해 없이 '원시적인' 형태로 진화했을 가능성을 시사합니다.

보이드는 단순히 텅 빈 공간이 아니라, 우주론적 연구에 있어 매우 중요한 의미를 가집니다.

암흑물질과 암흑 에너지 연구: 보이드는 암흑물질과 암흑 에너지의 분포와 특성을 연구하는 데 유용한 '실험실' 역할을 합니다. 보이드는 주로 암흑물질의 분포를 따르며 형성되기 때문에, 보이드를 분석하면 암흑물질의 중력적 효과를 더 잘 이해할 수 있습니다. 또한, 우주의 팽창을 가속시키는 미지의 힘인 암흑 에너지 또한 보이드를 더 크게 성장시키는 데 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 보이드는 우주 팽창의 역사와 속도를 측정하는 데 중요한 도구로 활용될 수 있습니다.
우주 거대 구조의 이해: 보이드는 필라멘트, 초은하단과 함께 우주 거대 구조의 핵심 구성 요소입니다. 보이드를 연구함으로써 우리는 우주 전체의 물질 분포가 어떻게 형성되었고, 이러한 거대한 구조들이 어떤 물리 법칙에 의해 진화해왔는지에 대한 통찰을 얻을 수 있습니다.
은하 진화 연구: 보이드 은하는 고립된 환경에서 진화하기 때문에, 주변 환경의 영향을 많이 받는 필라멘트나 은하단의 은하들과는 다른 진화 경로를 가질 수 있습니다. 보이드 은하를 연구함으로써 우리는 은하의 형성과 진화에 환경이 미치는 영향을 더 명확히 이해할 수 있습니다.

보이드의 존재는 1978년 로버트 커쉬너(Robert Kirshner)를 비롯한 천문학자들에 의해 처음으로 인식되고 논의되었습니다.

이는 우주가 단순히 은하로 채워진 공간이 아니라, 복잡한 그물망 구조를 가지고 있음을 보여주는 중요한 발견이었습니다. 보이드는 우주의 구조적 특성을 이해하는 데 필수적인 요소로 자리매김했습니다.

연도	용어/발견	설명
1978년	보이드의 개념 인식 및 논의	로버트 커쉬너 등이 은하 분포에서 거대한 빈 공간의 존재를 처음으로 제기
1981년	목동자리 보이드 발견	로버트 커쉬너 팀이 은하 적색 편이 조사를 통해 거대한 목동자리 보이드 발견
1980년대 이후	우주 거대 구조 연구 활성화	은하 필라멘트, 초은하단과 함께 우주가 거미줄 같은 구조를 이룸이 밝혀짐
2000년대 이후	보이드 은하 특성 연구	보이드 내 은하들이 주변 환경의 은하들과 다른 진화 특성을 보임이 연구됨
최근	보이드와 허블 장력 문제 연구	국부적인 보이드가 우주 팽창률 측정의 '허블 장력' 문제를 설명할 수 있다는 가설 제기