구상성단 형성에 관한 최근의 연구

사진 1> 허블 우주망원경이 촬영한 이 사진은 이번 구상성단 연구에서 관측대상으로 삼은 100개의 은하를 나열한 것이다.

 

구상성단이란 수백수천개의 별들이 뭉쳐있는 천체로서 우주에서 가장 오래된 별들이 모여있는 천체이다.

 

우리은하 외곽에 존재하는 구상성단에 대한 최근 연구를 통해 이들 구상성단들이 한결같이 은하로부터 생겨나는 것이 아닌,  빠른 속도로 새로운 별들을 탄생시키는 고밀도 지역으로부터 생성된다는 증거를 발견하였다.

 

천문학자들은 이러한 사실을 11,000개가 넘는 구상성단이 몰려있는 처녀자리 은하단으로부터 발견하였는데, 이들 구상성단들의 대부분은 50억년 이상의 나이를 가지고 있는 상태이다.

 

사진 2> 처녀자리 은하단은 처녀자리 방향으로 5천 4백만 광년떨어져 있는 은하단이다.    이 사진은 아키라 후지(Akira Fujii)에 의해 촬영된 것으로  처녀자리와 그 부근의 별자리가 잘 나타나있다.

 

 

허블우주망원경이 제공하는 고해상도 기능을 통해 희미한 왜소은하들뿐 아니라 100여개에 달하는 다양한 크기와 모양, 밝기를 지닌 은하들로부터 성단들을 탐색할 수 있었다.

 

처녀자리 은하단은 2000개가 넘는 은하들이 몰려 있는 지구로부터 가장 가까이에 위치한 은하단으로서 5천 4백만 광년 거리에 위치하고 있다.

 

천문학자들에게 이 은하단의 중심부에 위치한 거대한 타원은하 M87은 익히 잘 알려진 은하이며 이 은하는 예견된 것보다 훨씬 많은 수의 구상성단들을 보유하고 있는 은하이다.

 

천문학자들에게는 이처럼 많은 구상성단의 기원은 오랫동안 미스테리로 남아 있었다.

 

이번 연구에 참여한 브리티시 콜롬비아 대학 천체물리연구소의 패트릭 코트(Patrick Cote)는 이번 연구에 대해 다음과 같이 설명하고 있다.
"이번 연구를 통해 성단의 생성비율은 그 주변 환경에 달려 있음을 알게 되었습니다.
처녀자리 은하단 중심에 가까이 몰려 있는 왜소은하들은 중심으로부터 멀리 떨어져 있는 은하들에 비해 훨씬 더 많은 구상성단을 포함하고 있었습니다."

 

연구팀은 타원은하 M87이 자리잡고 있는 성단 중앙에서 3백만 광년의 범위내에 존재하는 대부분의 왜소은하에서 풍부한 구상성단을 발견했다.

 

사진 3> 엄청나게 큰 규모를 자랑하는 M87은하는 수조개의 별들과 거대한 블랙홀,  그리고 1만 3천여개에 달하는 구상성단을 거느리고 있는 은하이다.             

M87은 2천여 개의 은하를 거느린 처녀자리 은하단의 중심에 존재하는 이 은하단의 터줏대감 은하이다.

노란색의 늙은 별들이 느슨하게 밀집된 한 가운데에 푸른색의 제트가 보이고, 마치 별처럼 보이는 무수한 구상성단들이 사진 전역에 걸쳐   두루 존재하고 있다.

제트는 블랙홀에 의해 에너지를 공급받아 정중앙 은하핵으로부터 뿜어져 나오고 있다.             

이것은 은하중앙에 공생하고 있는 블랙홀로부터 뿜어져나오는 가스물질로서 거의 광속에 달하는 속도로 가속되어 나오는 아원자입자들의 흐름이다.

처녀자리은하단의 중심부에 위치한 M87로부터 발생한 중력장의 영향으로 근처의 왜소은하로부터 별무리가 빨려들어오면서 오랜시간에 걸쳐 구상성단이 생성되어 온 것으로 추측된다.

이 은하의 지름은 12만 광년에 달하며 태양으로부터 5천 4백만 광년 떨어진, 봄의 별자리인 처녀자리에 위치하고 있다.

이 사진은 2003년과 2006년 허블우주망원경이 촬영되었으며  가시광선과 적외선 필터로 얻어진 데이터를 조합하여 만들어졌다.

 

 

이들 왜소은하 내부에 자리잡고 있는 수많은 구상성단들은 적게는 몇 십 개에서 많게는 수십 개에 이르기까지 다양한 범주로 모여있는데, 이러한 숫자는 이들이 자리잡고 있는 은하들의 질량이 상대적으로 적다는 것을 고려하면 매우 놀라운 현상이다.
 그 반면 은하단 외곽에 자리잡고 있는 왜소은하에는 아주 적은 수의 구상성단만이 존재하고 있다.

 

M87에 존재하는 많은 성단들은 M87주변을 너무나도 가깝게 지나가다가 붙잡힌 작은 은하들로부터 만들어진 듯 하다.

 

이번 연구를 주도한 북경 대학 에릭 팽(Eric Peng)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 M87로부터 13만 광년 범위에 있는 은하들에서는 일체의 구상성단이 없거나 있다 하더라도 극소수의 구상성단만이 있음을 발견했습니다."

 

허블의 관측능력은 워낙 정밀하기 때문에 우리 은하에 존재하거나 또는 멀리 떨어진 은하에 존재하는 흐린 구상성단들도 모두 탐지해낼 수 있다.

 

팽의 이어지는 설명은 다음과 같다.
"지상에 위치한 천문대의 관측 자료를 기반으로 별무리나 은하들로부터 구상성단을 구분해 내기란  여간 어려운 문제가 아닙니다.  

그러나 허블 우주 망원경을 사용하면 우리가 관측한 대상 지역에서 약 90퍼센트 정확도 수준으로 구상성단을 판별해 낼 수 있습니다.
이것은 고작 한줌의 성단 밖에 가지고 있지 않은 왜소은하를 관측하는데 있어 매우 중요한 기능을 해주고 있는 것입니다."

 

M87 은하의 기원에 관한 증거는 구상성단의 조성을 분석하는 것으로부터 도출되었다.

 

사진 4> 이 사진은 M87을 가시광선, 라디오, X선 파장으로 촬영하여 그 이미지를 조합한 것이다.            

M87은 처녀자리 은하단에서 가장 거대한 은하로서 5천 4백만 광년 거리에 위치하고 있다.            

은하 중심의 거대한 질량을 지닌 블랙홀로부터 빛의 속도와 맞먹는 속도로 분출되고 있는 제트는 모든 파장의 빛을 방출하고 있다.

이것은 또한 강력한 라디오전파원으로서 Virgo A 라는 인식표가 달려있기도 한데,  라디오전파원뿐만 아니라 강력한 X선의 근원이기도 하며, 이로부터 뿜어져나오는 X선 복사 구름은 처녀자리 은하단의 영역 너머까지 뻗어있기도 하다.

라디오복사원은 제트로부터 발생하여 X선 복사대역으로 밀려들어가는 매우 뜨거운 가스다발로 구성되어 있다.

 

 

이에 대한 팽의 설명은 다음과 같다.
"M87 내부에 존재하는 구상성단에는 철과 같은 무거운 원소가 다른 구상성단에서보다 3배 정도 결핍되어 있는 것을 알 수 있었습니다.
이러한 사실은 이 구상성단들이 주변에 존재하는,  마찬가지로 무거운 원소를 적게 가진 구상성단을 보유하고 있는 왜소은하들에 의해 꾸준히 그 원소를  빼앗겨왔다는 것을 의미합니다."

 

구상성단을 연구하는 것은 우주 초기, 별들이 격렬하게 생성되고, 은하들이 생성되기 시작했던 때를 이해하는데 있어 매우 중요한 단서를 제공해 준다.

이들은 거의 모든 은하들에 존재하는 것으로 알려져 있으나 또 한편으로는 은하에서 가장 희미한 천체이기도 하다.

 

"처녀자리 은하단의 중심에서는 아주 짧은 기간동안 대단히 격렬하게 새로운 별들이 탄생해왔습니다.
이곳에서는 외곽지역에 비해 아주 빠르고 훨씬 효과적으로 새로운 별들이 만들어진 것으로 보입니다.
이처럼 새로운 별들이 왕성하게 만들어진 데에는 은하단 중심에 두껍고 치밀하게 존재하는 암흑물질간의 충돌로부터 발생하는 중력적 영향이  일조를 했다고 봅니다.
M87이 위치하고 있는 처녀자리 은하단 중심은 아주 많은 양의 암흑물질 역시 밀집해 있습니다.
아마도 이 중심부근에 존재하는 구상성단들은 처녀저리 은하단이 생성되기 시작한 초기에 생성된 것으로 생각됩니다."

 

은하단 중심으로부터 멀리 떨어져 있는 왜소은하의 몇 안되는 구상성단들은 이미 생성되어 있던 성단들의 질량의 영향으로 만들어진 것으로 생각된다고 팽은 말했다.

 

사진 5>  팔로마 천문대 48인치 슈미트 망원경이 촬영한 처녀자리 은하단의 모습

 

팽은 은하단 중심으로부터 멀리 떨어진 지역에서 만들어진 별은 그리 튼튼한 별이 아니며 여러세대에 걸쳐 분산된 작은 질량의 성단으로부터 생성되었을 것이라고 추측하고 있다.

 

이번 연구결과는 7월 1일 Astrophysical Journal에 발표되었다.

 

사진 6> 이 사진은 처녀자리 은하단에 존재하는 4개 은하를 촬영한 것이다. 이들은 이번에 구상성단 조사의 대상이 되었던 100개 은하들 중 일부이다.

 

 

 

동영상 >  처녀자리 은하단과 M87의 클로즈업 영상

                                   

 

 

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

   본 내용은 2008년 8월 5일 발표된 뉴스입니다.

 

참고 : 다양한 구상성단을 비롯한 각종 별무리에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.      
        https://big-crunch.tistory.com/12346975

 

원문>

 

사진 1>

These images taken by NASA's Hubble Space Telescope show the globular cluster systems of 100 galaxies observed within the Advanced Camera for Surveys (ACS) Virgo Cluster Survey. Globular clusters, dense bunches of hundreds of thousands of stars, have some of the oldest surviving stars in the universe. Most of the star clusters in the Virgo survey are older than 5 billion years. The Hubble study found evidence that these globular clusters are more likely to form in dense areas where star birth occurs at a rapid rate, instead of uniformly from galaxy to galaxy. Comprised of over 2,000 galaxies and located about 54 million light-years away, the Virgo cluster is the nearest large galaxy cluster to Earth. These composite images were made from the advanced camera's full field-of-view observations. Astronomers also used modeling data to fill in a narrow gap between the camera's detectors. The images were taken from December 2002 to December 2003.

 

사진 2>

The Virgo cluster of galaxies is located about 54 million light-years away in the direction of the constellation Virgo. Virgo and other nearby constellations are seen in this ground-based image taken by Akira Fujii.

 

사진 3>

The monstrous elliptical galaxy M87 is the home of several trillion stars, a supermassive black hole, and a family of 13,000 globular star clusters.

M87 is the dominant galaxy at the center of the neighboring Virgo cluster of galaxies, which contains some 2,000 galaxies.

Amid the smooth, yellow population of older stars, the two features that stand out most in this Hubble Space Telescope image of M87 are its soft blue jet and the myriad of starlike globular clusters scattered throughout the image.

The jet is a black-hole-powered stream of material that is being ejected from the core of the galaxy. As gaseous material from the center of the galaxy accretes onto the black hole, the resultant energy released produces a fire-hose stream of subatomic particles that are accelerated to velocities near the speed of light.

Being in the center of the Virgo cluster of galaxies, M87 may have accumulated some of its globular clusters by gravitationally pulling them from nearby dwarf galaxies that seem to be devoid of globulars today.

The 120,000-light-year-diameter galaxy lies at a distance of 54 million light-years from the Sun in the spring constellation Virgo.

This image was made from data taken in 2003 and 2006 with Hubble's Advanced Camera for Surveys. The image is a composite of individual filtered data that cover the visible and infrared portions of the spectrum.

 

사진 4>

This image is a composite of visible (or optical), radio, and X-ray data of the giant elliptical galaxy, M87. M87 lies at a distance of 54 million light-years and is the largest galaxy in the Virgo cluster of galaxies. Bright jets moving at close to the speed of light are seen at all wavelengths coming from the massive black hole at the center of the galaxy. It has also been identified with the strong radio source, Virgo A, and is a powerful source of X-rays as it resides near the center of a hot, X-ray–emitting cloud that extends over much of the Virgo cluster. The extended radio emission consists of plumes of relativistic (extremely hot) gas from the jets rising into the X-ray–emitting cluster medium.

The optical data of M87 were obtained with Hubble's Advanced Camera for Surveys in visible and infrared filters (data courtesy of P. Cote (Herzberg Institute of Astrophysics) and E. Baltz (Stanford University)). Wide-field optical data of the center of the Virgo Cluster were also provided by R. Gendler (Copyright Robert Gendler 2006). The X-ray data were acquired from the Chandra X-ray Observatory's CCD Imaging Spectrometer (ACIS), and were provided by W. Forman (Harvard- Smithsonian Center for Astrophysics) et al. The radio data were obtained by W. Cotton using the National Radio Astronomy Observatory's Very Large Array (NRAO/VLA) near Socorro, New Mexico. NRAO archive VLA data of M87 were also used in the composite radio image.

 

사진 5>

Virgo cluster galaxies taken with the Palomar Observatory 48-inch Schmidt telescope as part of the Digitized Sky Survey.

 

사진 6>

These images taken by NASA's Hubble Space Telescope show four members of the Virgo cluster of galaxies, the nearest large galaxy cluster to Earth.

They are part of a survey of globular star clusters in 100 of Virgo's galaxies. Globular clusters, dense bunches of hundreds of thousands of stars, have some of the oldest surviving stars in the universe. Most of the star clusters in the Virgo survey are older than 5 billion years.

The Hubble study found evidence that these hardy pioneers are more likely to form in dense areas, where star birth occurs at a rapid rate, instead of uniformly from galaxy to galaxy.

Hubble's "eye" is so sharp that it was able to pick out the fuzzy globular clusters, which, at that distance, look like individual stars bunched up around the galaxies, instead of groupings of stars.

Comprised of over 2,000 galaxies, the Virgo cluster is located about 54 million light-years away.

Astronomers made these composite images from the advanced camera's full field-of-view observations. They also used modeling data to fill in a narrow gap between the camera's detectors.

 

동영상>

The Hubble Space Telescope's Advanced Camera for Surveys takes a closer look at the Virgo cluster located 54 million light-years away. Astronomers are cataloging the numerous globular star clusters, which will help our understanding of how stars and galaxies evolve. This zoom into the Virgo cluster containing 2,000 galaxies, takes us from a ground-based image into Hubble's view of the dominant central giant elliptical galaxy M87 and its multitude of globular star clusters

 

Full Story>

Globular star clusters, dense bunches of hundreds of thousands of stars, have some of the oldest surviving stars in the universe. A new study of globular clusters outside our Milky Way Galaxy has found evidence that these hardy pioneers are more likely to form in dense areas, where star birth occurs at a rapid rate, instead of uniformly from galaxy to galaxy.

Astronomers used NASA's Hubble Space Telescope to identify over 11,000 globular clusters in the Virgo cluster of galaxies. Most are older than 5 billion years. The sharp vision of Hubble's Advanced Camera for Surveys resolved the star clusters in 100 galaxies of various sizes, shapes, and brightnesses, even in faint, dwarf galaxies. Comprised of over 2,000 galaxies, the Virgo cluster is the nearest large galaxy cluster to Earth, located about 54 million light-years away.

Astronomers have long known that the giant elliptical galaxy at the cluster's center, M87, hosts a larger-than-predicted population of globular star clusters. The origin of so many globulars has been a long-standing mystery.

"Our study shows that the efficiency of star cluster formation depends on the environment," said Patrick Cote of the Herzberg Institute of Astrophysics in Victoria, British Columbia. "Dwarf galaxies closest to Virgo's crowded center contained more globular clusters than those farther away."

The team found a bounty of globular clusters in most dwarf galaxies within 3 million light-years of the cluster's center, where the giant elliptical galaxy M87 resides. The number of globulars in these dwarfs ranged from a few dozen to several dozen, but these numbers were surprisingly high for the low masses of the galaxies they inhabited. By contrast, dwarfs in the outskirts of the cluster had fewer globulars. Many of M87's star clusters may have been snatched from smaller galaxies that ventured too close to it.

"We found few or no globular clusters in galaxies within 130,000 light-years from M87, suggesting the giant galaxy stripped the smaller ones of their star clusters," explained Eric Peng of Peking University in Beijing, China, and lead author of the Hubble study. "These smaller galaxies are contributing to the buildup of M87."

Hubble's "eye" is so sharp that it was able to pick out the fuzzy globular clusters from stars in our galaxy and from faraway galaxies in the background. "It's hard to distinguish globular clusters from stars and galaxies using ground-based telescopes," Peng said.

"With Hubble we were able to identify and study about 90 percent of the globular clusters in all our observed fields. This was crucial for dwarf galaxies that have only a handful of star clusters."

Evidence of M87's galactic cannibalism comes from an analysis of the globular clusters' composition. "In M87 there are three times as many globulars deficient in heavy elements, such as iron, than globulars rich in those elements," Peng said. "This suggests that many of these 'metal-poor' star clusters may have been stolen from nearby dwarf galaxies, which also contain globulars deficient in heavy elements."

Studying globular star clusters is critical to understanding the early, intense star-forming episodes that mark galaxy formation. They are known to reside in all but the faintest of galaxies.

"Star formation near the core of Virgo is very intense and occurs in a small volume over a short amount of time," Peng noted. "It may be more rapid and more efficient than star formation in the outskirts. The high star-formation rate may be driven by the gravitational collapse of dark matter, an invisible form of matter, which is denser and collapses sooner near the cluster's center. M87 sits at the center of a large concentration of dark matter, and all of these globulars near the center probably formed early in the history of the Virgo cluster."

The fewer number of globular clusters in dwarf galaxies farther away from the center may be due to the masses of the star clusters that formed, Peng said. "Star formation farther away from the central region was not as robust, which may have produced only less massive star clusters that dissipated over time," he explained.

The results appeared July 1 in The Astrophysical Journal.

CONTACT

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

Eric Peng
Peking University, Beijing, China
011-86-10-6275-8629
peng@bac.pku.edu.cn