원시 우주의 Compact Galaxy

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허블우주망원경이 촬영한 이 사진에는 110억 광년 떨어진 9개의 작은 고밀도 은하(Compact Galaxy)가 담겨있다.

이 은하들의 지름은 약 5천광년으로 그 크기를 오늘날의 은하와 비교해보면 작은 조각에 지나지 않지만, 거의 동일한 숫자의 별을 보유하고 있다.

이 사진은 허블의 근적외선 카메라와 다중분광계를 통해 얻어졌으며 2006년 6월부터 2007년 6월 사이에 촬영되었다.

 

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키 50 센티미터에 81Kg의 몸무게를 가진 아이가 태어났다는 소식을 접했다고 한 번 상상해 보라.
이 괴상한 뉴스를 접하면  당연히 몸무게를 잘못 들었으려니 생각을 하게 될 것이다.

 

천문학자들이 머나먼 우주의 은하들을 관찰하면서 9개의 젊은 밀집은하를 발견했는데

그 무게가 태양질양의 무려 2억배나 달한다는 사실을 접하고 느낀 난처함도 이와 같았다.

 

이 은하들은 지름은 고작 5천광년에 지나지 않는, 오늘날 우리가 알고 있는 은하들에 비하면 파편 정도에 지나지 않는데도 보유하고 있는 별들의 숫자는 거의 비슷한 수준에 육박하고 있는 은하들이다.

각각의 은하들은 우리 은하의 중심부에 꼭 들어갈 정도의 크기밖에 되지 않는다.

 

 

 

천문학자들이 허블우주망원경과 하와이 마우나 케아 산에 있는 켁 천문대를 통해 관측한 결과에 따르면
이 은하들은 우주의 나이가 30억년 정도밖에 되지 않았던 110억년 전부터 존재했던 은하들이다.

 

이번 연구를 이끈 예일 대학의 피터 반 도쿰(Pieter G. van Dokkum)의 설명은 다음과 같다.
"여기 보이는 작은 크기의 밀집은하는 하나의 수수께끼입니다.
 지금까지 이처럼 먼거리에서 관측된 은하들 중에서 이처럼 거대한 질량을 가진 은하는 발견된 적이 없었습니다.
 또한 이들이 어떻게 오늘날 우리 눈에 보이는 큰 은하로 진화했는지에 대해서도 분명히 알려진게 없습니다.
 이들은 지난 110억년 동안 변화를 계속해왔을 것이고 오늘날 다섯배 이상의 크기로 성장했습니다.
 물론 이들은 다른은하들과 충돌을 거듭하면서 몸집을 키워왔을 수도 있겠지만 이것은 완전한 대답은 될 수 없습니다."

연구팀은 이 은하들의 크기를 측정하기 위해 허블의 근적외선 카메라와 다중분광계를 사용하였다.

또한 켁 천문대에서는 지구 대기의 영향으로 교란되어 나타나는 이미지를 정확하게 교정하는 역할을 수행했다.

 

반 도쿰은 오직 허블우주망원경과 켁 천문대에서만 이처럼 멀리 떨어져서 너무나 작게 보이는 은하들의 크기를 측정할 수 있다고 말했다.

 

반 도쿰과 그의 동료들은 2006년에 칠레에 위치한 제미니 천문대의 근적외선 분광 망원경을 통해 은하들을 연구했었다.

당시의 연구는 은하까지의 거리와 은하에 포함되어 있는 별들의 연령이 5억년에서 10억년에 걸쳐 있다는 정보를 제공해주었다.

또한 이 은하에서 가장 무거운 질량을 가진 별들은 이미 초신성 폭발을 일으키기도 했다.

 

이번 연구에 참여했던 네델란드 라이덴 대학의 마렝 프랑크(Marijn Franx)는 다음과 같이 말했다.
"허블이 관측한 깊은 우주에서 천문학자들은 새로운 별들을 탄생시키고 있는 작은 은하들을 발견했습니다.
 그런데 이 은하들은 질량도 아주 낮았죠.
 그 질량은 우리 은하에 비하면 너무나도 적었습니다.
 그런데 허블우주망원경으로 촬영한 깊은 우주보다  훨씬 넓은 지역을 탐색해보니 놀랍게도 크기는 똑같이 작음에도 불구하고

 질량이 우리 은하와 거의 똑같은 은하들이 발견되었습니다.
 우주의 초기에는 새로운 별들을 일찍부터 만들어낸 무거운 은하들 조차도 지금과는 아주 다른 모습이었다는 걸 알 수 있었죠."

 

반 도쿰은 110억년전 이와 같은 질량을 가진, 전체 은하들의 반정도를 차지했던 고밀도의 은하들이 오늘날 우리 눈에 보이는 거대한 은하로 성장했을 거라고 말했다.

어떻게 이런 은하들이 생겨난 것일까?
반 도쿰이 제안하는 한가지 가능성은 이 은하들이 초기 우주의 수소 가스와 암흑물질간의 상호 중력작용 속에서 발생했다는 것이다.

암흑물질이란 우주 질량의 거의 대부분을 차지하는 눈에 보이지 않는 물질을 말한다.

빅뱅이 발생한 직후 우주의 암흑물질은 매우 불규칙한 분포양상을 보이고 있었다.

수소가스들이 이들 눈에 보이지 않지만 중력을 행사하는 물질들에 포섭되어 암흑물질의 중력장으로 끌려들어가면서 맹렬한 비율로 별들을 만들어내기 시작했다는 것이다.

천문학자들은 이 은하들의 색깔로부터 유추한 은하들의 질량을 근거로 별들이 은하원반 주위를  시속 약 140만에서 160만 킬로미터의 속도(초속 400~500 킬로미터)로 공전하고 있다고 예측하였다.

 

이와는 대조적으로 오늘날의 거대한 은하에서 별들의 공전 속도는 앞서 속도의 반정도에 지나지 않는데 이는 은하 자체가 거대할 뿐만 아니라 자전속도도 소규모의 고밀도 은하보다는 훨씬 느리기 때문이다.

 

이 은하들은 지난 봄 서비스 미션4에서 성공적으로 설치된 허블망원경의 광대역 카메라3에게 있어서는 매우 이상적인 관측대상들이 되었다.

켈리포니아 대학의 가스 일링워스(Garth Illingworth)는 다음과 같이 그 의미를 설명하고 있다.
"우리는 이번에 새로 설치된 허블의 광대역카메라3을 통해 이와 같은 은하들이 더 많이 발견될 수 있을거라 믿습니다.
 허블의 이미지는 켁 천문대와 다른 천문대의 협조속에 초기 우주에서 은하의 진화에 대해 더 잘 이해할 수 있도록 해 줄 것입니다."

 

이번 발견은 4월 10일 The Astrophysical Journal에 발표되었다.

 

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이 은하의 행성에서 하늘을 바라보았을 때 어떻게 보일지를 그려본 상상도이다.

이 행성의 하늘에서는 우리 지구의 밤에서보다 200배나 많은 별들이 보일 것이다.

 

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

   본 내용은 2008년 4월 29일 발표된 뉴스입니다.

 

원문>

 

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These images taken by NASA's Hubble Space Telescope show nine compact, ultradense galaxies as they appeared 11 billion years ago.

The galaxies are only 5,000 light-years across and yet are 200 billion times more massive than the Sun. They are a fraction of the size of today's grownup galaxies but contain the same number of stars. Each galaxy could fit inside the central hub of our Milky Way Galaxy.

Hubble's Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer snapped these images between June 2006 and June 2007.

Image Type: Astronomical

Credit: NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale University), M. Franx (Leiden University, The Netherlands), and G. Illingworth (University of California, Santa Cruz, and Lick Observatory)

 

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Imagine receiving an announcement touting the birth of a baby 20 inches long and weighing 180 pounds. After reading this puzzling message, you would immediately think the baby's weight was a misprint.

Astronomers looking at galaxies in the universe's distant past received a similar perplexing announcement when they found nine young, compact galaxies, each weighing in at 200 billion times the mass of the Sun. The galaxies, each only 5,000 light-years across, are a fraction of the size of today's grownup galaxies but contain approximately the same number of stars. Each galaxy could fit inside the central hub of our Milky Way Galaxy.

Astronomers used NASA's Hubble Space Telescope and the W.M. Keck Observatory on Mauna Kea, Hawaii, to study the galaxies as they existed 11 billion years ago, when the universe was less than 3 billion years old.

"Seeing the compact sizes of these galaxies is a puzzle," said Pieter G. van Dokkum of Yale University in New Haven, Conn., who led the study. "No massive galaxy at this distance has ever been observed to be so compact. It is not yet clear how they would build themselves up to become the large galaxies we see today. They would have to change a lot over 11 billion years, growing five times bigger. They could get larger by colliding with other galaxies, but such collisions may not be the complete answer."

To determine the sizes of the galaxies, the team used the Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer on Hubble. The Keck observations were carried out with assistance of a powerful laser to correct for image blurring caused by the Earth's atmosphere. only Hubble and Keck can see the sizes of these galaxies because they are very small and far away," van Dokkum explained.

Van Dokkum and his colleagues studied the galaxies in 2006 with the Gemini South Telescope Near-Infrared Spectrograph, on Cerro Pachon in the Chilean Andes. Those observations provided the galaxies' distances and showed that the stars are a half a billion to a billion years old. The most massive stars had already exploded as supernovae.

"In the Hubble Deep Field, astronomers found that star-forming galaxies are small," said Marijn Franx of Leiden University, The Netherlands. "However, these galaxies were also very low in mass. They weigh much less than our Milky Way. Our study, which surveyed a much larger area than in the Hubble Deep Field, surprisingly shows that galaxies with the same weight as our Milky Way were also very small in the past. All galaxies look really different in early times, even massive ones that formed their stars early."

The ultradense galaxies might comprise half of all galaxies of that mass 11 billion years ago, van Dokkum said, forming the building blocks of today's largest galaxies.

How did these small, crowded galaxies form? one way, suggested van Dokkum, involves the interaction of dark matter and hydrogen gas in the nascent universe. Dark matter is an invisible form of matter that accounts for most of the universe's mass. Shortly after the Big Bang, the universe contained an uneven landscape of dark matter. Hydrogen gas became trapped in puddles of the invisible material and began spinning rapidly in dark matter's gravitational whirlpool, forming stars at a furious rate.

Based on the galaxies' masses, which are derived from their color, the astronomers estimated that the stars are spinning around their galactic disks at roughly 890,000 to 1 million miles an hour (400 to 500 kilometers a second). Stars in today's galaxies, by contrast, are traveling at about half that speed because they are larger and rotate more slowly than the compact galaxies.

These galaxies are ideal targets for the Wide Field Camera 3, which is scheduled to be installed aboard Hubble during Servicing Mission 4 in the fall of 2008. "We hope to use the Wide Field Camera 3 to find thousands of these galaxies. The Hubble images, together with the laser adaptive optics at Keck and similar large telescopes, should lead to a better understanding of the evolution of galaxies early in the life of the universe," said Garth Illingworth of the University of California, Santa Cruz, and Lick Observatory.

The findings appeared in the April 10 issue of The Astrophysical Journal Letters.

The authors of the science paper are Pieter van Dokkum (Yale University), Marijn Franx (Leiden University, The Netherlands), Mariska Kriek (Princeton University), Bradford Holden, Garth Illingworth, Daniel Magee, and Rychard Bouwens (University of California, Santa Cruz, and Lick Observatory), Danilo Marchesini (Yale University), Ryan Quadri (Leiden University), Greg Rudnick (National Optical Astronomical Observatory, Tucson), Edward Taylor (Leiden University), and Sune Toft (European Southern Observatory, Germany).

CONTACT

Donna Weaver/Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4493/4514
dweaver@stsci.edu/villard@stsci.edu

Pieter van Dokkum
Yale University, New Haven, Conn.
203-432-3019
pieter.vandokkum@yale.edu

 

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This illustration from a hypothetical planet in a distant ultradense galaxy reveals a sky packed with thousands of stars. There are 200 times more stars in this sky than in our Earth's nighttime sky. The ultradense galaxies existed about 11 billion years ago. They are a fraction of the size of today's galaxies but contain the same number of stars.

Image Type: Artwork

Credit: NASA, ESA, G. Bacon (STScI), and P. van Dokkum (Yale University)