바리온을 추적하여 우주의 구조를 탐색하다.

그림 1>

이 그림은 허블 우주망원경이 수십억광년 떨어진 퀘이사로부터 발생한 빛을 관측함으로써
바리온이라 불리는 잃어버린 물질들을 어떻게 관측하고 있는지를 보여준다.

이 빛속에는 잃어버린 물질들이 빛 속에 흡수되면서 특정한 진동을 나타내는 분광학적 지문이 각인되어 있다.

바리온을 통해 '우주의 거미줄'이라 불리는 우주공간의 구조물을 추적할 수 있다.

 

 

Full Story>

비록 이 우주에는 수십억개의 은하들에 존재하지만
이 거대한 천체들에 포함된 물질들의 양은 그리 많지 않다.

따라서 빅뱅이후로 지금까지 우주에서 생성된 물질들의 대부분이 반드시 어딘가에서 발견되어야 한다.

 

오늘날 국부우주에 대해 확장된 검사를 실시한 결과
천문학자들은 바리온이라고 불리는, 지금까지 발견되지 않은 물질의 반에 해당하는 물질들을

은하와 은하사이 우주공간에서 발견하였다고 한다.

 

이 중요한 구성물질들은 은하간 매질(intergalactic medium), 또는 약어로 IGM이라 불리고 있는데

이 물질들은 우리 은하의 바깥단부터 지금까지 관측된 가장 멀리 떨어진 우주공간까지 뻗어있다.

 

따라서 "바리온이 어디로 사라졌는지, 그리고 이들에 대한 속성은 무엇인지"라는 물음에 대해

그 어느때보다도 더 확실하게 대답할 수 있게 되었다.

 

콜로라도 대학의 마이크 슐(Mike Shull)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 우주의 등뼈와 같은 구조로 형성된 거미줄 모양의 가닥을 본것이라 생각합니다.
 직관적으로는 텅 비어있는 듯이 보이는 은하간 공간에서 우리가 세부적으로  확인한 것은

 이 우주가 사실은 바리온 물질이나 일반물질의 거대한 저장고라는 사실입니다."

 

허블관측은 10여년 전 토드 트립(Todd Tripp)과 그의 동료들에 의해 수행되었으며
이들은 처음으로 국부우주에서 고온을 지닌,

이들 잃어버린 물질들의 한 부분이 발견되었다고 보고한 바 있다.

 

이 연구에서는 어떤 특정 퀘이사를 분광측정하고 있었는데
이 퀘이사까지의 경로를 따라 연결되어 있는 은하간 가스의 흡수양상을 찾을 수 있었던 것이다.

 

5월 20일 찰스 댄포스(Charles Danforth)와 슐이 Astrophysical Journal에 발표한 바에
따르면 그들은 28개의 퀘이사에 연결된 얇은 띠를 관측하였다고 한다.

 

그들의 분석은 지구로부터 40억광년 거리에 은하간 매질이 어떻게 보이는지를 관측한

가장 자세한 내역을 보여주고 있다.

 

바리온은 수소나 헬륨 또는 이보다 무거운 원소들과 같은
일반물질을 구성하고 있는 양자나 중성자 또는 아원자 입자들과 같은 원소이며,

이 물질 역시 별이나 행성, 위성 그리고 새로운 별을 만들어내는 우주먼지나 가스를 구성하고 있다.

 

천문학자들은 이 바리온 물질을 오직 중력장을 통해서만 감지가능한 신비의 물질인
'암흑물질'과는 혼동하지 말기를 당부하고 있다.

 

콜로라도 대학 천체물리와 행성과학부의 댄포스와 슐은

멀리떨어진 퀘이사(활동성 블랙홀을 가진 은하의 밝게 빛나는 핵)로부터 발생하는 빛을 분석하여 바리온을 탐색해왔으며,
은하간 공간에서 겉보기에는 잔뜩긴 안개사이에서 반짝이는 불빛처럼 스며들어있는 거미줄과 같은 구조를 탐지했다.

천문학자들은 허블우주망원경에 탑재되어 있는

우주분광촬영 망원경(the Space Telescope Imaging Spectrograph, STIS)과
원자외선 분광탐색기(Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer, FUSE)를 이용하여
주로 산소와 수소로 구성된 뜨거운 가스를 발견하였는데
이 가스의 성간공간에서의 분포양상을 3차원으로 구성한 결과를 보고하였다.

이 결과에 따르면 STIS와 FUSE를 통해 퀘이사 불빛에 덧붙혀진
산소와 수소에 끼여있는 분광학적 흔적을 발견할 수 있었다고 한다.

대단히 밝은 퀘이사의 불빛은 우주에 거미줄처럼 뻗어있는

650개 이상의 수소 필라멘트를 관통하고 있는 것으로 측정되었다.

이 중 83개의 필라멘트에서는 전자 5개를 잃어버려 고이온화된 산소분자들이 들러붙어 있는 것이 발견되었다.

이처럼 고이온화된 산소(또는 다른 원소)가 우주공간에서 발견되었다는 점은
눈에 보이지 않는, 뜨겁게 이온화된 수소가 우주상에 대단히 많이 존재하고 있음을 짐작하게 해 준다.

이처럼 우주에 존재하는 거대한 양의 수소탱크들이
그동안의 관측에서 발견되지 않은 주된 이유는
이들이 가시광선대역에서 관측되기에는 매우 뜨거운 반면,
X선 대역에서 관측되기에는 너무 차가왔기 때문이다.

별의 폴발로부터 만들어졌을 이들 산소 트레이서들은 산소를 다시 우주공간으로 뱉어내면서
충격파에 의해 이전부터 존재하던 수소와 혼합되어 매우 높은 온도로 달궈졌다.

 

연구팀은 또한 20퍼센트 정도의 바리온이

거미줄과 같은 구조의 사이사이 빈 공간에 머물러있음을 발견했다.

이러한 빈공간에서 수십억년 이내에 희미한 왜소은하들이 생겨날 수도 있고
물질덩어리들이 별이나 은하들로 전환될 수 있을 것이다.

 

이처럼 광대한 우주의 거미줄 탐색은 올해 하반기,

허블 서비스 미션4 동안에 설치될 새로운 과학장비인

우주기원의 분광측정기(the Cosmic Origins Spectrograph, COS)의 핵심 목표가 될 것이다.

 

이에 대한 슐의 의견은 다음과 같다.
"COS는 우리가 우주의 거미줄에서 보다 확실하고 보다 세부적인 핵심 샘플을 얻게 해 줄것입니다.
 우리는 COS가 잃어버린 바리온의 상당부분을 찾아내 줄 것으로 생각하고 있습니다.
 우리의 목표는 우주 거미줄의 구조를 그려내고 그 안에서 무거운 금속물질들을 발견하여

 그 양과 온도를 측정하는데 있습니다.
 결국 이러한 연구를 통해 은하들이 어떻게 생겨났는지에 대한  정보를 얻을 수 있을 것입니다."

 

COS 팀은 100개 이상의 추가 퀘이사를 관측하고
초기 별들로부터 생성된 무거운 원소들을 포함하고 있는 우주 거미줄 안에서
1만개 이상의 수소 필라멘트에 대한 관측목표를 달성하기를 희망하고 있다.

 

그림 2> 

이 그림은 '우주의 거미줄'이라고 불리는 구조의 단면을 보여주고 있다.

이 거대한 필라멘트 구조는 우주의 은하간 공간에 위치한 암흑물질들로 주로 만들어져 있다. 

 

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

   본 내용은 2008년 5월 20일 발표된 뉴스입니다.

 

원문>

그림 1>

This illustration shows how the Hubble Space Telescope searches for missing ordinary matter, called baryons, by looking at the light from quasars several billion light-years away. Imprinted on that light are the spectral fingerprints of the missing ordinary matter that absorbs the light at specific frequencies (shown in the colorful spectra at right). The missing baryonic matter helps trace out the structure of intergalactic space, called the "cosmic web."

 

Full Story>

Although the universe contains billions of galaxies, only a small amount of its matter is locked up in these behemoths. Most of the universe's matter that was created during and just after the Big Bang must be found elsewhere.

Now, in an extensive search of the local universe, astronomers say they have definitively found about half of the missing normal matter, called baryons, in the spaces between the galaxies. This important component of the universe is known as the "intergalactic medium," or IGM, and it extends essentially throughout all of space, from just outside our Milky Way galaxy to the most distant regions of space observed by astronomers.

The questions "where have the local baryons gone, and what are their properties?" are being answered with greater certainty than ever before.

"We think we are seeing the strands of a web-like structure that forms the backbone of the universe," Mike Shull of the University of Colorado explained. "What we are confirming in detail is that intergalactic space, which intuitively might seem to be empty, is in fact the reservoir for most of the normal, baryonic matter in the universe."

Hubble observations made nearly a decade ago by Todd Tripp and colleagues first reported finding the hottest portion of this missing matter in the local universe. That study utilized spectroscopic observations of one quasar to look for absorbing intergalactic gas along the path to the quasar.

In the May 20 issue of The Astrophysical Journal, Charles Danforth and Shull report on observations taken along sight-lines to 28 quasars. Their analysis represents the most detailed observations to date of how the IGM looks within about four billion light-years of Earth.

Baryons are protons, neutrons, and other subatomic particles that make up ordinary matter such as hydrogen, helium, and heavier elements. Baryonic matter forms stars, planets, moons, and even the interstellar gas and dust from which new stars are born.

Astronomers caution that the missing baryonic matter is not to be confused with "dark matter," a mysterious and exotic form of matter that is only detected via its gravitational pull.

Danforth and Shull, of the Department of Astrophysical and Planetary Sciences at the University of Colorado in Boulder, looked for the missing baryonic matter by using the light from distant quasars (the bright cores of galaxies with active black holes) to probe spider-web-like structure that permeates the seemingly invisible space between galaxies, like shining a flashlight through fog.

Using the Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) aboard NASA's Hubble Space Telescope and NASA's Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE), the astronomers found hot gas, mostly oxygen and hydrogen, which provide a three-dimensional probe of intergalactic space. STIS and FUSE found the spectral "fingerprints" of intervening oxygen and hydrogen superimposed on the quasars' light.

The bright quasar light was measured to penetrate more than 650 filaments of hydrogen in the cosmic web. Eighty-three filaments were found laced with highly ionized oxygen in which five electrons have been stripped away.

The presence of highly ionized oxygen (and other elements) between the galaxies is believed to trace large quantities of invisible, hot, ionized hydrogen in the universe. These vast reservoirs of hydrogen have largely escaped detection because they are too hot to be seen in visible light, yet too cool to be seen in X-rays.

The oxygen "tracer" was probably created when exploding stars in galaxies spewed the oxygen back into intergalactic space where it mixed with the pre-existing hydrogen via a shockwave which heated the oxygen to very high temperatures.

The team also found that about 20 percent of the baryons reside in the voids between the web-like filaments. Within these voids could be faint dwarf galaxies or wisps of matter that could turn into stars and galaxies in billions of years.

Probing this vast cosmic web will be a key goal for the Cosmic Origins Spectrograph (COS), a new science instrument that astronauts plan to install on Hubble during Servicing Mission 4 later this year.

"COS will allow us to make more robust and more detailed core samples of the cosmic web," Shull said. "We predict that COS will find considerably more of the missing baryonic matter."

"Our goal is to confirm the existence of the cosmic web by mapping its structure, measuring the amount of heavy metals found in it, and measuring its temperature. Studying the cosmic web gives us information on how galaxies built up over time."

The COS team hopes to observe 100 additional quasars and build up a survey of more than 10,000 hydrogen filaments in the cosmic web, many laced with heavy elements from early stars.

CONTACT

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

Mike Shull
University of Colorado, Boulder, Colo.
303-492-7827
mshull@casa.colorado.edu

 

그림 2>

This graphic represents a slice of the spider-web-like structure of the universe, called the "cosmic web." These great filaments are made largely of dark matter located in the space between galaxies. The Hubble Space Telescope probed the structure of intergalactic space to look for missing ordinary matter, called baryons, that is gravitationally attracted to the cosmic web.