충돌하는 은하

충돌하는 은하

2008. 4. 26. 17:05ㆍ3. 천문뉴스/허블사이트

천문학 교과서에서 기술하고 있는 은하란 흔히 반짝이는 별들이 모인, 안정되고 독립적인 거대한 우주섬으로 그려지는 경향이 있다.

그러나 사실 은하에는 매우 역동적인 측면이 있다.

은하들은 서로 점점 가까워지면서 거대한 통합을 이루고, 이러한 충돌로 전혀 새로운 모습으로 변하면서 새로운 별들이 무수히 탄생한다.

오늘 허블 우주 망원경 발사 18주년을 기념하여 그간 허블우주망원경이 발표해온 거대한 은하의 충돌로 구성된 59개의 사진이 발표되었다.

이번에 발표된 드라마틱한 충돌 사진들은 은하의 충돌로 인해 생성된, 이전에는 알려지지 않았던 다양하고, 복잡한 구조를 보여준다.

천문학자들은 가까운 우주에서 통합이 계속되고 있는 수백만 개의 은하 중 하나를 관측할 뿐이다.

팽창하는 우주의 규모는 과거에는 지금보다 훨씬 작았고 따라서 은하 간의 거리도 가까웠기 때문에 은하 간의 충돌이란 훨씬 오래 전부터 나타났던 일반적인 현상이다.

천문학자들은 이처럼 천상에서 벌어지는 범퍼카 게임에서 중력이 어떻게 이들 은하의 움직임에 영향을 미쳤는지 연구하고 있으며, 이들의 행동을 관측하려고 노력하고 있다.

그런데 격렬한 은하 간의 충돌은 인간의 기준으로 볼때는 매우 천천히 발생하는 사건인데 전체 시간을 봤을때 이러한 일은 수억 년 상관에 일어난다.

허블이 발표한 이번 사진에는 다양한 형태와 다양한 단계의 은하충돌 사진이 포함되어 있다.

이번에 발표된 59장의 사진은 대부분 GOALS(Great Observatories All-sky LIRG Survey)라는 이름의 프로젝트에서 진행된 발광적외선 은하 및 고발광 적외선 은하 연구의 일환으로 촬영된 사진들이다.

이 관측에는 허블우주망원경, 스피처 우주망원경, 찬드라 X선 망원경, 은하진화탐사위성(Galaxy Evolution Explorer)이 참여하고 있다.

59장의 은하충돌 사진 : 충돌은하 사진에 대한 설명을 보시려면 각 항목에 기록된 주소를 클릭하십시오.

* 허블 사이트에서 배포한 우리은하의 미래에 대한 동영상입니다.

우리 은하는 30억년 후 안드로메다 은하와 충돌을 겪게 됩니다.

그 때 과연 지구상에서 이 모습을 관찰할 수 있을까요?

그 때가 되면 지구는 이미 부풀어오른 태양에 의해 바싹 말라버린 다음일 것이므로 이 광경을 지구에서 볼 수 있는 사람은 아무도 없을 겁니다.

인류가 우주 인류로 진화에 성공한다면 제 3의 공간에서 이 모습을 구경할 수는 있겠죠.

허블 우주망원경에 대한 자잘한 상식들

허블우주망원경이 천체를 관측하기 시작한 이후 18년 동안, 허블 우주망원경을 통해 84만 번이 넘는 관측이 이루어졌으며 2만 7천개의 천체에 대해 54만 장이 넘는 사진이 촬영되었다.

허블우주망원경은 별이나 행성, 은하를 여행하는 우주선이 아니다.

허블우주망원경은 지구 주위를 시속 2만 8천 킬로미터의 속도로 돌며 천체를 촬영한다.

지난 18년동안 허블 우주망원경은 지구를 10만 번 공전하였다.

이 기간동안 허블우주망원경이 주파한 거리는 40억 킬로미터에 달하는데 이는 토성을 왕복하는데 소요되는 거리와 맞먹는다.

또한 18년동안 허블이 작성한 데이터는 32테라바이트로서 이는 9,600편의 디지털 영화필름의 분량에 해당한다.

이는 매달 백과사전 70권을 채울 수 있는 분량인 70기가바이트의 정보를 생산해 낸 것과 같다.

또한 허블우주망원경이 전세계 천문학자들에게 매달 배포하는 데이터는 2테라바이트에 달한다.

허블우주망원경의 관측 데이터를 바탕으로 그간 7500편이 넘는 논문이 발행됐으며 결국 허블망원경은 그동안 만들어진 모든 과학기구중 가장 많은 논문을 생산해낸 과학기구가 되었다.

2007년 한 해에 허블의 관측 데이터를 바탕으로 출간된 과학자들의 논문은 700편을 넘고 있다.

허블우주망원경과 GOALS 프로젝트

GOALS(Great Observatory All-sky LIRG(발광적외선은하) Survey) 프로젝트는 허블우주망원경, 스피처우주망원경, 찬드라X선망원경, GALEX 우주관측위성을 활용하여 우주의 특정지역에서 가장 밝은 적외선을 방출하는 200개 이상의 은하를 선정하여 이를 연구하는 프로젝트이다.

이 연구를 위해 선정된 샘플 은하는 180개의 발광 적외선 은하들(LIRGs)과 20개 이상의 고발광 적외선 은하들(ULIRGs)로 구성되어 있다.

GOALS 프로젝트에서 LIRGs와 ULIRGs 를 연구하는 목적은 은하 연구의 폭을 은하핵의 분광분류와 상호작용단계까지 폭넓게 연구하는데 있다.

이 프로젝트에 동원되고 있는 각종 관측기들은특정 우주에서 강화된 적외선 복사를 방출하는 은하에 대한 일련의 작업을 통해 편이되지 않는 사진을 제공하고 있다.

이 연구에서 허블의 역할은 새로운 별의 생성에 대한 고분해능의 가시광 이미지를 제공하고 활동성 은하핵(AGN)의 일련의 과정에 대한 정보를 제공함과 함께 이 두가지 현상 간의 연관성을 탐구하는데 있다.

또한 은하의 에너지원으로서 실마리를 제공해 줄 수 있는 잠재은하의 복잡한 구조적 속성을 제공하는 것도 허블 우주망원경의 중요한 몫 중 하나이다.

발광 적외선 은하의 중심부에서 발생하는 새로운 별의 형성을 가시광 이미지로 제공함.

허블우주망원경이 GOALS 프로젝트에서 수행하고 있는 주요한 과학 기능중 하나는 허블의 고분해능과 ACS카메라를 통한 광대역 촬영 기능으로 발광 적외선 은하와 고발광 적외선 은하의 새로운 별 탄생 연구에 대해 다양한 가시광 파장의 자료와 통계적으로 완벽한 자료를 제공해 주는 것이다.

대상이 되는 은하들은 우리 은하와 안드로메다 은하처럼 통합과 상호작용이 발생하고 있는 풍부한 가스를 지닌 나선형 은하들이며 은하들간의 상호작용으로 은하원반에 존재하는 풍부한 가스들이 별로 압축되어 나타난다.

충돌이 진행되고 있는 은하의 중심부에서 가스의 파편들은 또한 블랙홀(우리 태양의 수백만 배에서 수십억 배의 질량을 가진)의 먹이가 되기도 하는데 간혹 이러한 현상이, 통합이 진행되고 있는 은하의 핵을 밝게 빛나게 만들기도 한다.

각 은하에서 새로운 별이 생성되는 지역의 색깔과 위치 그리고 이처럼 별들이 생성되는 지역들 간에 소규모로 나타나는 구조적 연관성은 언제, 그리고 어떻게 새로운 별들이 탄생하기 시작했는지에 대한 단서를 제공해 준다.

게다가 GOALS프로젝트의 샘플로 선정된 은하들은 처음 은하 간 조우가 발생하기 시작한 첫 단계 은하들로부터 마지막 합병의 단계까지 은하 통합의 전체 단계를 모두 커버할 수 있기 때문에 별의 형성 역시 각 진화단계별로 연구될 수 있다.

발광 적외선 은하들에서 새로운 별의 형성을 연구하는데 가시광선 관측 자료를 사용하는 것에 대해 그 결과가 시원찮을 것이라는 우려들이 있었다.
그 내용은 왜 샘플로 선택된 적외선 발광 은하를 연구하는데 가시광선 망원경을 이용하는지?
게다가 이들 은하들은 암흑으로 뒤덮인 지역, 그래서 가시광선이 투과하지 못하는 지역에 가득 쌓인 먼지들이 새로운 별을 형성하면서, 그리고 중심핵의 거대 블랙홀에 계속 에너지를 제공하면서 지속적으로 적외선대로 치우치고 있는 은하들이 아닌가라는 우려들이었다.

이 먼지들은 별이 생성되는데 소요되거나 블랙홀에 에너지원이 된 후 이들 천체가 뿜어내는 빛으로 -240도에서 -210도까지 가열되는데 이 온도대역에서는 먼지들로부터 발생하는 강력한 복사가 적외선으로 나타나게 된다.

그러나 이러한 우려들을 충분히 잠재울만큼 이 연구는 대단히 성공적으로 진행됐다.
허블이 수집한 데이터는 대부분의 적외선 발광성운에서는 확장된 은하원반이나 꼬리뿐 아니라 먼지로 완벽하게 차폐되어,별이 생성되는 것으로 짐작만 되어온 은하중심부에서도 별이 형성된다는 증거를 제공했다.
(이것은 스피처 우주망원경의 관측자료를 그 근거로 한다.)

가시광선 대역에서 빛을 내고 있는 중심부의 이들 성단들은 각 은하들에서 방출되는 에너지 덩어리에 대응되는 ,더 많이 존재하고 있을 별 생성 지역을 추적가능하게 해준다.

이 은하들에서 별이 생성되는 지역으로부터 발견되는 가시광선 신호는 우리 주위에 존재하는 일반적인 은하들의 별 생성에 대해 적용되는 표준 가시광선 탐지기술이 이 은하들에도 똑같이 적용될 수 있음을 의미한다.

자외선 데이터들은 주로 이 성단들의 나이를 정확히 측정하는데 사용된다.

허블 우주망원경과 ACS가 제공하는 광대역 이미지는 새로운 별이 왕성하게 생성되는 슈퍼 성단의 존재를 확정하기 위해 최상의 고분해능이 필요하다는 점에서 이런 종류의 프로젝트에서 필수불가결한 요소라고 할 수 있다.

이들 고밀도의 성단들은 수많은 젊은 별들을 품고 있으며 구상성단의 초기 이론 모델을 그대로 빼닮고 있다.

비록 이들 성단들이 적외선 영역에서만 해석될 수 있지만, 허블을 통하여 이들을 가시광선대역에서 연구함으로써 과학자들이 별의 생성에 대한 영향도를 추정가능하도록 해 준다.

이것은 오늘날 알려진 은하들이 어떻게 생성되었는지 파악하는 것을 목표로 하는 은하 진하론에 연관된 결과를 도출하는데에 있어 매우 중요한 요소이다.

소규모 충돌에서부터 방출되는 밝은 적외선 복사

또한 허블의 이미지는 밝은 적외선 복사선을 다른 경로로 탐색하는데 사용되곤 한다.

우리가 '대통합'이라고 부르는 풍부한 가스를 지닌 나선형 은하간의 충돌과 상호작용을 담은 일반적인 사진들은 적외선 대역에서 강력한 빛을 방출해낸다.

그러나 '대통합' 양상에서 발견된 이러한 현상들이 샘플의 10%를 차지하는 몇몇 충돌현상에서 발견된다는 명확한 증거가 존재하지 않는다.

이들 10%를 차지하는 은하들은 정면으로 또는 측면으로 보이는 나선형 은하들인데 (발광 적외선 은하 중 약 반 정도가 이러한 각도로 보인다.) 허블이 제공한 고분해능 이미지를 보면 이들이 일반적인 나선형 은하로 분류될만한 구조적인 특징이 없음을 보여주고 있다.

이들 중 반 정도가 작은 동반은하를 거느리고 있는데 이는 은하원반을 거느린 은하들과 훨씬 적은 질량의 은하들간의 ('소통합'이라 부르는) 충돌이 또한 대량의 적외선 복사를 생산해내는데 충분한 압력을 은하에 가하고 있을 것이라는 추측을 하게 만들며, 이것을 가능하게 만드는 메커니즘으로 이러한 충돌에서 비교적 큰 규모를 차지하는 은하 중심의 블랙홀로 가스가 흘러들어가면서 왕성한 폭발을 만들어낼 수 있는 에너지를 공급하면서 적외선이 방출된다는 점이 밝혀졌다.

요약

허블의 가시광선 이미지는 스피처가 촬영한 적외선 이미지와 GALEX가 쵤영한 적외선 이미지간의 간극을 매꿔주고 있다.

그러나 허블은 이처럼 단순한 데에서뿐만 아니라 훨씬 더 중요한 측면에서 간극을 매꾸는 역할을 하고 있다. :
최상의 감도와 해상도 그리고 ACS가 제공하는 광대역 이미지는 통합이 진행중인 은하들의 각 단계별로 상세한 구조를 밝혀주고 있으며 별이 만들어지는 양상과, 고발광 적외선 은하들, 그리고 오늘날 우리가 알고 있는 은하들의 진화양상을 연구하는 GOALS프로젝트에서 중요한 역할을 성공적으로 수행하고 있는 것이다.

* '허블사이트'의 게시물들은 허블사이트 http://hubblesite.org 의 뉴스센터 자료들을 번역한 자료들입니다.

본 내용은 2008년 4월 24일 발표된 뉴스입니다.

원문>

ABOUT THIS IMAGE:

Astronomy textbooks typically present galaxies as staid, solitary, and majestic island worlds of glittering stars.

But galaxies have a dynamical side. They have close encounters that sometimes end in grand mergers and overflowing sites of new star birth as the colliding galaxies morph into wondrous new shapes.

Today, in celebration of the Hubble Space Telescope's 18th launch anniversary, 59 views of colliding galaxies constitute the largest collection of Hubble images ever released to the public. This new Hubble atlas dramatically illustrates how galaxy collisions produce a remarkable variety of intricate structures in never-before-seen detail.

Astronomers observe only one out of a million galaxies in the nearby universe in the act of colliding. However, galaxy mergers were much more common long ago when they were closer together, because the expanding universe was smaller. Astronomers study how gravity choreographs their motions in the game of celestial bumper cars and try to observe them in action.

For all their violence, galactic smash-ups take place at a glacial rate by human standards - timescales on the order of several hundred million years. The images in the Hubble atlas capture snapshots of the various merging galaxies at various stages in their collision.

Most of the 59 new Hubble images are part of a large investigation of luminous and ultra- luminous infrared galaxies called the GOALS project (Great Observatories All-sky LIRG Survey). This survey combines observations from Hubble, NASA's Spitzer Space Telescope, NASA's Chandra X-ray Observatory, and NASA's Galaxy Evolution Explorer. The majority of the Hubble observations are led by Aaron S. Evans of the University of Virginia, Charlottesville, the National Radio Astronomy Observatory, and Stony Brook University.

For more information, contact:

Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4514
villard@stsci.edu

Lars Lindberg Christensen
Hubble/ESA, Garching, Germany
011-49-89-3200-6306
lars@eso.org

Aaron Evans
University of Virginia, Charlottesville, Va.
ae3f@mail.astro.virginia.edu

Image Type: Astronomical

Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration, and A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University)

Hubble Trivia 2008

In its 18 years of viewing the heavens, NASA's Hubble Space Telescope has made more than 840,000 observations and snapped more than 540,000 images of 27,000 celestial objects.

Hubble does not travel to stars, planets, and galaxies. It takes pictures of them as it whirls around Earth at 17,500 miles an hour.

In its 18-year lifetime, the telescope has made 100,000 trips around our planet. With those trips, Hubble has racked up plenty of frequent-flier miles, about 2.5 billion, which is the equivalent of a round trip to Saturn.

The 18 years' worth of observations has produced about 32 terabytes of data, equaling the content of about 9,600 digital feature-length films.

Each month the orbiting observatory generates more than 70 gigabytes of data, enough information to fill 70 complete sets of encyclopedias.

The Hubble archive sends about 2 terabytes of data each month to astronomers throughout the world.

Astronomers using Hubble data have published more than 7,500 scientific papers, making it one of the most productive scientific instruments ever built. In 2007 scientists published more than 700 journal articles on Hubble telescope data.

Hubble and the GOALS Survey

The Great Observatory All-sky LIRG Survey (GOALS) combines imaging and spectroscopic data from NASA's Hubble, Spitzer, Chandra, and GALEX space observatories in a comprehensive study of over 200 of the most luminous infrared-selected galaxies in the local universe. The sample consists of approximately 180 Luminous Infrared Galaxies (LIRGs), as well as over 20 Ultra-Luminous Infrared Galaxies (ULIRGs). The LIRGs and ULIRGs targeted in GOALS span the full range of nuclear spectral types and interaction stages. They provide an unbiased picture of the processes responsible for enhanced infrared emission in the local universe.

Hubble's role in the project is to use its high optical resolution to study star formation and active galactic nuclei (AGN) processes and the possible connection between these two phenomena. In addition, the detailed structural properties of the underlying galaxy, which may provide clues to the observed energetics, are also part of the Hubble Space Telescope portion of GOALS.

Star formation in the centers of luminous infrared galaxies seen in visible light
One of the primary science drivers for the Hubble part of the Great Observatory All-sky LIRG Survey (GOALS) is to make use of the high resolution possible with Hubble and the wide field-of-view of Hubble's Advanced Camera for Surveys (ACS) to study star formation at visual wavelengths in a large and statistically complete sample of luminous and ultra-luminous infrared galaxies.

These galaxies are primarily mergers and interactions of gas-rich spiral galaxies like the Milky Way and the Andromeda Galaxy, and as the galaxies interact, the large reservoir of gas in their disks is compressed into stars. Some fraction of the gas also feeds giant black holes (i.e., with masses a million to a billion times the mass of our Sun) in the centers of the merging galaxies, sometimes making their nuclei outshine all of the stars in the merging galaxies. The color and location of the star formation within each galaxy, and the small-scale structures associated with the regions of star formation, provide clues as to when and how the star formation began. Further, because the GOALS sample covers the full evolutionary range of merging galaxies, from the first encounter of the progenitor galaxies to the final coalescence, star formation in the visible can be studied as a function of evolutionary stage.

There was a worry that a study of star formation in visible light in these luminous infrared galaxies would not be very fruitful — why use a visible-light telescope to study an infrared-selected sample of galaxies? Indeed, these galaxies become "infrared" luminous by producing new stars and feeding their giant black holes in dust- enshrouded regions of the galaxy, i.e., regions opaque to visible light. This dust is then heated by the stars and black holes to temperatures of approximately -400 to -346 degrees Fahrenheit (-240 to -210 degrees Celsius) — at such temperatures, the dust radiates strongly in the infrared. As it turns out, this portion of the survey has been a major success - the Hubble data have revealed evidence of star formation in most of the infrared galaxies, and not only in the extended disks and tails, but also in the central regions of the galaxies where one would expect the star formation to be completely enshrouded by dust (based on the Spitzer Space Telescope imaging survey). These star clusters in the central regions that are bright in visible light are essentially tracers of the more embedded star formation that accounts for the bulk of the energy generated in these galaxies. The detection of visible-light signatures of star formation means that standard visible-light techniques used to study star formation in nearby normal galaxies can be applied to the study of these galaxies. Ultraviolet data is currently being collected to establish the age of the clusters properly.

Hubble and the wide-field of view of the ACS are indispensable tools for this kind of project as they have the high resolution necessary to establish the existence of super star clusters in very active star- forming regions. These compact clusters are rich in young stars and resemble theoretical models for early precursors of globular clusters. Although these clusters can be resolved in the infrared, it is the visible-light studies with Hubble that allow scientists to make inferences about the stellar populations. This is an important result with implications for theories of galaxy evolution that aim to explain how the galaxies we know today formed.

Bright infrared radiation from "minor mergers"
The Hubble images can also be used to examine other paths to the generation of bright infrared radiation. The standard picture is that interactions and mergers of gas-rich spiral galaxies (we can call these "major mergers") are the trigger for the emergence of high infrared brightness. However, in about ten percent of the sample there is no clear evidence that a major merger is the cause of the observed activity. The galaxies in this ten percent are observed to be face-on or edge-on spiral galaxies - in about half of these infrared galaxies, the high-resolution Hubble images reveal no structural features that would distinguish them from normal spiral galaxies observed locally. Half of them are accompanied by small companion galaxies, suggesting that an interaction between disk galaxies and much less massive galaxies ("minor mergers") may also be sufficient to push a galaxy to produce copious amounts of infrared radiation, possibly by channelling gas into the central supermassive black hole of the larger galaxy and fuelling the burst of high activity revealed in the infrared.

Summary
As a visible-light telescope Hubble has filled the gap between Spitzer imaging in the infrared and GALEX ultraviolet images. But Hubble has been much more than a stopgap: the superb sensitivity, resolution and field of view of the ACS Wide Field Camera have revealed the detailed structure of galaxies captured at all stages of the interaction process and have been an essential part of the success of the GOALS project in the study of the link between star formation, ultra-luminous infrared galaxies and the evolution of the galaxies we know today.

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