왜소은하 주위의 암흑물질 존재에 대한 새로운 증거

 

 

사진1> 이 네 개의 왜소은하는 페르세우스 은하단의 중심부에 위치한 왜소은하로서 이번에 조사된 은하의 일부이다.

이 은하들은 규질한 외형에 대칭이 뚜렷한 모습을 보이는데 이는 이 은하들이 주위 고밀도의 은하단으로부터 발생하는 중력작용에 전혀 영향을 받지 않았음을 뜻한다.

이에 반해 이들 은하 주위에 좀더 큰 규모의 은하들은 중력상호작용에 의해 찢겨진 모습들이 발견되었다.

허블우주망원경이 촬영한 이 사진을 통해, 이들 왜소은하들이 주위의 격렬한 중력 조석작용으로부터 보호받을만큼 충분한 양의 암흑물질의 쿠션에 감싸여 있다는 증거가 제시된 것이다. 

 

허블우주망원경이 암흑물질의 헤일로에 담겨있는 은하들에 대한 일련의 강력하고 새로운 증거를 발견했다.
허블우주망원경을 통해 페르세우스 은하단 중심부를 관측하던 중 발견된 많은 수의 소규모 은하들이, 상호간의 중력섭동작용으로 이리저리 뜯겨나간 보다 큰 규모의 주변 은하들에 비해 전혀 손상되지 않은 원래모습 그대로를 유지하고 있는것을 발견한 것이다.


암흑물질이란 우주 질량의 대부분을 차지하는 눈에 보이지 않는 물질을 말한다.
천문학자들은 별과 가스, 우주먼지로 구성된 우주의 일반 물질들에 미치는 중력영향을 관측함으로써, 암흑물질의 존재를 유추해왔다.

이번에는 암흑물질이 제공하는 완충물에 싸여 온전히 형태를 보존하고 있는 은하들을 촬영한 허블의 사진을 통해 암흑물질에 대한 진일보한 증거를 제공받게 된 것이다.

이번 연구의 책임을 맡고 있는 영국 노팅엄 대학의 천문학자 크리스토퍼 콘스리스( Christopher Conselice)는 이번 발견을 다음과 같이 평가하고 있다.
"우리가 맨처음 성단중심부에서 매우 많은 수의 왜소은하들을 발견했을 때, 이 왜소은하들이 하나같이 일체의 파괴흔적이 존재하지 않는 균질의 원형 형태를 띄고 있다는데에 놀라지 않을 수 없었습니다.
이들 왜소은하들은 아주 오랜시간을 성단에서 보낸 늙은 은하들이기 때문에 이들에게 뭔가 영향을 미쳤을법한 일들이 분명 있었을 것임에도 불구하고 완벽한 외형을 보존하고 있다는 것은 이들이 암흑물질에 의해 보호받고 있는 은하들임에 틀림없다는 사실을 보여주고 있는 것입니다."

이 왜소은하들은 일반 나선은하들보다 훨씬 많은 양의 암흑물질을 보유하고 있는 것일지도 모른다.

콘스리스의 설명이 이어진다.
"이러한 사실들을 가지고 왜소은하들에 포함된 암흑물질의 양이 우리 은하의 암흑물질보다 훨씬 많은지의 여부를 단정지을 수는 없습니다.
비록 이곳 은하단에서 왜소은하들은 전혀 파괴의 일화를 겪지 않았음에 반해 나선은하들은 모두 파괴된 것이 사실이긴 하지만 이는 하나의 사례일뿐입니다."

80년전 최초로 제안된 암흑물질의 모델은 은하들을 서로 묶어주는 '아교'와 같은 모델이었다.

 

천문학자들은 암흑물질이 중력작용을 통해 은하들이 생성되는 틀을 형성해주는, 즉 우주가 형성되는데 있어 매우 중요한 발판 역할을 제공해 준다고 제안한다.

허블과 찬드라 X선 망원경에 의해 수행된 이전의 연구에서는 총알은하단과 같은 은하단 전반에 걸쳐 암흑물질이 존재한다는 증거를 발견하기도 하였다.
이번 허블의 새로운 관측은 개별 은하에서 암흑물질을 탐색하는 연구가 지속되면서 발견된 것이다.

허블 ACS를 이용하여 지구로부터 가장 가까이 위치하는 은하단으로서 2억 5천만광년 떨어져 있는 페르세우스 은하단에서 29개의 왜소타원은하를 촬영하였는데 이중 17개는 이번에 새로 발견된 은하이다.

암흑물질은 눈에 보이는 물질이 아니기 때문에 천문학자들은 간접적인 증거를 모아 암흑물질의 존재여부를 탐지해내게 된다.

암흑물질을 탐지하는데 가장 공통적으로 사용되는 방법은 각각의 별이나 성단이 은하내에서 움직이거나 또는 은하의 주위를 공전하는 속도를 측정하는 방법이다.

페르세우스 은하단의 경우는 비록 가장 가까이 위치하고 있는 은하단이긴 하지만 거리 자체가 워낙 멀기 때문에 망원경으로 개개의 별들의 움직임을 측정하기는 불가능했다.

그래서 콘스리스와 그의 동료들은 암흑물질을 탐색하는 새로운 방법을 창안하게 되었는데 그 방법이란 주위의 거대한 은하들로부터 발생하는 강력한 중력조석작용으로부터 일체의 영향을 받지 않고 유지되기 위하여 이 왜소은하들이 최소한 가지고 있어야 할 질량을 측정하는 것이었다.
(즉 관측에 의하여 보이는 개개 왜소은하의 질량 또는 질량의 총합과, 중력조석작용에 영향받지 않을 자체의 최소 질량이  계산되면 그 질량의 차이가 곧 암흑물질의 질량으로 계산될 수 있음을 의미함 : 역자주)

현재 이들 왜소은하들에 대한 세부 내역은 허블 ACS가 제공하는 고해상도 이미지에 의해서만이 가능하다.

콘스리스와 그의 연구팀이 이 은하들을 처음으로 발견한 곳은 아리조나주 투손 외곽에 위치한 키트 피크 국립천문대의 WIYN 망원경을 통한 관측에서였다.
당시 관측을 통해 많은 수의 은하들이 균질한 외형을 띄고 있는 것으로 보아 암흑물질의 지배하에 있을 것이라는 추측을 할 수는 있었지만, 그러나 이들 은하들에 대한 세부 데이터를 지상에 위치한 천문대에서는 얻을 수 없어 허블 우주망원경의 협조가 절실했다고 콘스리스는 말했다.

이번 연구결과는 지난 3월 1일 왕립천문학회의 월간공지를 통해 발표되었다.

사진2 > 페르세우스 은하단과 표본이 된 4개의 왜소은하의 위치

 

 

사진 3> 페르세우스 은하단의 위치

 

 

 

북반구에 위치한 페르세우스 자리에는 거대한 은하단이 위치하고 있다.
이 은하단까지의 거리는 3억광년으로 우리로부터 가장 가까이 위치하고 있는 은하단 중 하나이다.
이 은하단에는 수천개의 은하가 포함되어 있으며 전체 질량은 우리 우주에서 가장 거대한 규모를 자랑하는 은하단중 하나일  것으로 추측되고 있다.

 

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

   본 내용은 2009년 3월 12일 발표된 뉴스입니다.

 

원문>

The full news release story:

NASA's Hubble Space Telescope has uncovered a strong new line of evidence that galaxies are embedded in halos of dark matter.

Peering into the tumultuous heart of the nearby Perseus galaxy cluster, Hubble discovered a large population of small galaxies that have remained intact while larger galaxies around them are being ripped apart by the gravitational tug of other galaxies.

Dark matter is an invisible form of matter that accounts for most of the universe's mass. Astronomers have deduced the existence of dark matter by observing its gravitational influence on normal matter, consisting of stars, gas, and dust.

The Hubble images provide further evidence that the undisturbed galaxies are enshrouded by a "cushion" of dark matter, which protects them from their rough-and-tumble neighborhood.

"We were surprised to find so many dwarf galaxies in the core of this cluster that were so smooth and round and had no evidence at all of any kind of disturbance," says astronomer Christopher Conselice of the University of Nottingham, U.K., and leader of the Hubble observations. "These dwarfs are very old galaxies that have been in the cluster a long time. So if something was going to disrupt them, it would have happened by now. They must be very, very dark-matter-dominated galaxies."

The dwarf galaxies may have an even higher amount of dark matter than spiral galaxies. "With these results, we cannot say whether the dark-matter content of the dwarfs is higher than in the Milky Way Galaxy," Conselice says. "Although, the fact that spiral galaxies are destroyed in clusters, while the dwarfs are not, suggests that is indeed the case."

First proposed about 80 years ago, dark matter is thought to be the "glue" that holds galaxies together. Astronomers suggest that dark matter provides a vital "scaffolding" for the universe, forming a framework for the formation of galaxies through gravitational attraction. Previous studies with Hubble and NASA's Chandra X-ray Observatory found evidence of dark matter in entire clusters of galaxies such as the Bullet Cluster. The new Hubble observations continue the search for dark matter in individual galaxies.

Observations by Hubble's Advanced Camera for Surveys spotted 29 dwarf elliptical galaxies in the Perseus Cluster, located 250 million light-years away and one of the closest galaxy clusters to Earth. Of those galaxies, 17 are new discoveries.

Because dark matter cannot be seen, astronomers detected its presence through indirect evidence. The most common method is by measuring the velocities of individual stars or groups of stars as they move randomly in the galaxy or as they rotate around the galaxy. The Perseus Cluster is too far away for telescopes to resolve individual stars and measure their motions. So Conselice and his team derived a new technique for uncovering dark matter in these dwarf galaxies by determining the minimum mass the dwarfs must have to protect them from being disrupted by the strong, tidal pull of gravity from larger galaxies.

Studying these small galaxies in detail was possible only because of the sharpness of Hubble's Advanced Camera for Surveys. Conselice and his team first spied the galaxies with the WIYN Telescope at Kitt Peak National Observatory outside Tucson, Ariz. Those observations, Conselice says, only hinted that many of the galaxies were smooth and therefore dark-matter dominated. "Those ground-based observations could not resolve the galaxies, so we needed Hubble imaging to nail it," he says.

The Hubble results appeared in the March 1 issue of the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Other team members are Samantha J. Penny of the University of Nottingham; Sven De Rijcke of the University of Ghent in Belgium; and Enrico Held of the University of Padua in Italy.

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