암흑에너지의 특성규명을 위한 허블상수 정교화

 

사진 1> 이 사진은 나선은하 NGC 3021을 촬영한 사진이다.

이 은하는 천문학자들이 허블상수라고 부르는, 우주의 팽창률을 정교하게 다듬기 위해  관측한 Ia 유형의 초신성들이 발견되었던 은하이다.

허블은 이 은하에서 세페이드 변광성의 정확한 측량을 실시하였는데 4개의 박스 안에 초록색 원으로 표시된 것이 측량의 대상이 된 세페이드 변광성이다.

세페이드 변광성들이 보이는 주기적인 변광패턴은 이들의 절대광도와 연관되어 있다. 
이러한 특성은 이 천체들을 우주에서 거리를 측정하는 측정기준자로서 만들어주었다.

한편 세페이드 변광성들은 매우 멀리 떨어진 천체이면서 훨씬더 밝은 거리 표지인 Ia 유형의 초신성 측정치를 검증하거나 정교화하는데 사용되기도 한다.

이 은하에서 초신성이 목격된것은 1995년의 일이며, 각 박스 안의 사진은 NICMOS(근적외선 카메라와 다중분광계)에 의해 촬영되었다

 

The Full Story

 

암흑에너지가 무엇이든간에, 우주의 현재 팽창률을 5%이내의 오차 범위에서 세밀하게 측정할 수 있는 허블우주망원경에 따르면 다양한 해석의 여지는 그닥 많지 않다.

 

허블상수라고 알려져 있는 우주의 팽창률에 대한 최신 측정치는 ± 3.6 오차수준에서 1Mpc 당 74.2km/sec 이다.

이러한 결과는 허블에 의해 수집된 초기 측정치인 1Mpc당 72 ± 8 km/sec에 근접하는 수치이지만 그 정확성은 두배 이상 향상된 것이다.

 

존스홉킨스대학, 우주망원경 과학연구소의 애덤 리스(Adam Riess)가 이끄는 초신성, 허블상수, 암흑에너지상태방정식(Supernova H0 for the Equation of State, 이하 SHOES)팀의 허블 연구에서는 천문학자들이 우주의 팽창률을 결정하는데 사용하는 10억광년 단위의 우주적 '거리의 사다리'(cosmic "distance ladder") 체계를 강화하고 정교하게 다듬기 위한 여러가지의 세밀한 개량치를 사용하고 있다.  

 

허블은 근거리 우주의 거리 지표로서 세페이드 변광성이라 불리는 별들을 관측하고 있는데 최근 초신성 폭발이 관측된 NGC 4258의 경우는 변광성 거리지표체계와 직접 연관되어 있다.

 

거리측정의 사다리에서 좀더 세밀한 기준치를 구성하기 위하여 허블을 활용하면 서로 다른 망원경을 이용하여 얻어진 측정치를 비교해서 거리를 산출하는 방법으로는 필수불가결하게 발생할 수 밖에 없는 측정의 오차범위를 줄일 수 있게 된다.

 

이러한 새로운 기술에 대한 리스의 설명은 다음과 같다.
"이 기술은 빌딩의 높이를 재는데 자를 처음부터 끝까지 한번 한번 이어재는 대신에  충분한 길이를 가진 테이프로 한 번에 높이를 측정하는 것과 같습니다.
이렇게 되면 매번 자를 이어잴때마다 발생하는 작은 오차들을 피할 수 있게 되죠. 매번 이어재야 한다면 높이가 높을 수록 오류는 커지게 될 수 밖에 없죠."
 

Texas A&M의 천문학자이자 물리학 교수이고 이번 연구에 있어 중요한 공헌을 한 루카스 마크리(Lucas Macri)의 설명은 다음과 같다.
"세페이드 변광성은 멀리 떨어져 있는 천체의 거리를 재는 기본골격이라 할 수 있습니다.
왜냐하면 이들은 주기적인 변광으로 인해 쉽게 관측될 수 있고, 이러한 변광은 바로 광도와 연관되어 있기 때문이죠.
세페이드를 관측하는데 있어서 우리의 측정자를 세밀하게 만들어주는 또 다른 요소는 전자기 스펙트럼의 한 부분인 근적외선에 있습니다.

이것은 가시광 파장보다 훨씬 더 효과적인 측정요소가 됩니다."
 

이번에 새롭게 도출된 더더욱 정교한 허블 상수값은 우주공간에 척력을 행사하여 우주의 확장을 유발하고 있는 암흑에너지로서의 속성을 한정하고 시험하는데 사용되곤 하였다.

 

우주의 연령이 38만년 정도였던 과거와 현재 우주의 팽창상태를 측정함으로써, 천문학자들은 우주의 팽창에 가속을 주고 있는 암흑에너지의 본질에 대한 제한선을 설정할 수 있었다. (원거리의 초기우주에 대한 측정은 2003년 나사 WMAP(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) 위성에 의해 측정된 우주배경복사의 변동치로부터 계산할 수 있었다.)

 

이들의 연구결과는 암흑에너지에 대한 가장 단순명료한 해석이라는 일관성이 있다.
: 이것은 알버트 아인슈타인이 1세기전 우주의 구조를 설정하고 전체우주가 중력에 의해 붕괴되는 것을 예방하기 위해 제안했던 우주상수 가설에 대한 수학적 등가물이기도 하다.(그러나 아인슈타인은 에드윈 허블이 우주의 팽창을 발견하자마자 자신의 우주상수이론을 철회하였다.)

 

리스의 평가는 다음과 같다.
"만약 누군가가 우주상수와는 별개로 암흑에너지를 하나의 상자에 담으려 한다면  그 상자의 크기는 세 배정도 더 작은 크기일 것입니다.
그러나 이것이 바로 사실을 규명하는 과정입니다. 
하지만 아직 우리가 암흑에너지의 본질을 규명해 내기에는 가야할 길이 먼 상황입니다."
 

비록 우주상수의 개념은 오래전에 제안되었지만 관측을 통한 암흑에너지의 증거는 지난 11년동안 일관되게 연구되지는 못했다.
두 개의 연구가 있었는데, 하나는 리스와 스트롬로 천문대(Mount Stromlo Observatory)의 브레인 슈미트(Brian Schmidt )에 의해 진행되었고, 다른 하나는 로렌스 버클리 국립연구소의 사울 펄뮤터(Saul Perlmutter)에 의해 수행되었며, 암흑에너지의 발견 역시 일부 허블관측자료를 활용하여 독자적으로 이루어졌다.

 

그 이후 천문학자들은 암흑에너지의 특징을 규명하는 좀더 나은 방법을 추구하고 있다.

 

리스는 암흑에너지가 우주상수처럼 정적인 성격을 지녔든, 혹은 (빅뱅 이후 우주의 급작스러운 팽창(인플레이션)을 이끈 척력과 같이)동적인 성격을 지녔든, 이 양자의 차이를 좁히는 방향으로 접근하고 있다.

 

허블우주망원경이 설치되었던 1990년 이전의 허블 상수 측정은 두가지 요인에 의해 다양한 모습을 띄고 있었다.

 

1990년대 후반에 우리은하를 벗어나는 거리범주를 측정하는 것은 허블망원경의 핵심 프로젝트였으며 이로부터 허블상수의 오차는 10% 정도로 좁혀질만큼 정교해졌다.

이러한 성과는 가시광 파장에서 세페이드 변광성을 관측하여 얻어진 것으로 이전에 얻어진 측정치나 지상천문대에서 얻어진 측정치와 비교할 때 훨씬 먼거리의 천체를 측정할 수 있게 된 것이다. 

 

SHOES 연구팀은 허블의 NICMOS(근적외선 카메라와 다중분광계)와 ACS를 이용하여 7개 은하에 존재하는 240개의 세페이드 변광성을 관측하였다.

이중 하나의 은하가 NGC 4258인데 이 은하까지의 거리는 전파망원경을 이용하여 매우 정확히 측정되었다.

 

다른 여섯개의 은하는 최근 Ia유형의 초신성이 발견되었는데, Ia유형의 초신성은 우주에서 매우 먼 거리를 측정하는 신뢰성 있는 지표로서 사용되는 천체이다.

Ia 유형의 초신성은 폭발시 거의 동일한 양의 에너지를 발산하게 되므로 그 밝기도 거의 동일하게 나타나게 된다.

 

7개 은하에 속해 있는 유사한 속성을 지닌 세페이드 변광성을 근적외선 파장으로 관측함으로써, 그리고 같은 망원경과 장비를 사용함으로써, 연구팀은 초신성의 밝기를 보다 정확히 조정할 수 있었다.

고성능의 허블망원경을 사용함으로써 연구팀은, 이전의 세페이드 변광성 행동패턴에 대한 연구가 갖고 있는 불완전성으로부터 파생된 우주거리 지표의 불확실성을 피해갈 수 있었다. 

 

리스는 궁극적으로 허블 상수의 부정확도를 1퍼센트 이내로 줄임으로써, 암흑에너지의 성격규명에 있어 좀더 확실한 제한선을 설정하는 것을 목표로 하고 있다. 

 

 

 

사진2> 허블의 측정치는 허블상수라고 불리는 우주의 팽창률을 좀더 정확하게 산정하기 위해 필요한 우주적 규모의 '거리의 사다리'를 단순명료하게 만들어주었다.

신뢰할만한 우주의 거리지표로 알려진 세페이드 변광성을 보유하고 있는 은하까지 거리는 동일한 은하에서 발생한 Ia 유형의 초신성의 관측자료로부터 상호검증되었다.  

새로운 기술은 다음의 세가지 단계를 통해 거리측정의 오차를 감소시켰다.  
(1) NGC 4258 은하까지의 거리는 기하학과 케플러의 법칙을 활용하여 측정함.
(2) 원거리에 위치하는 6개 은하의 세페이드 변광성들을 Ia 유형의 초신성의 광도를 측정하는데 사용하였다.
(3) 팽창하는 우주에 속해있는 수억광년 거리에 존재하는 훨씬 멀리 떨어진 은하로부터 발생한 Ia 유형의 초신성 폭발을 거리지표로 삼아 허블상수를 계산하였다.

 

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

   본 내용은 2009년 5월 7일 발표된 뉴스입니다.

 

 

원문>

 

사진 1>

ABOUT THIS IMAGE:

This is a Hubble Space Telescope photo of the spiral galaxy NGC 3021. This was one of several hosts of recent Type Ia supernovae observed by astronomers to refine the measure of the universe's expansion rate, called the Hubble constant. Hubble made precise measurements of Cepheid variable stars in the galaxy, highlighted by green circles in the four inset boxes. These stars pulsate at a rate that is matched closely to their intrinsic brightness. This makes them ideal for measuring intergalactic distances. The Cepheids are used to calibrate an even brighter milepost marker that can be used over greater distances, a Type Ia supernova. The supernova was observed in the galaxy in 1995. The images in the boxes were taken with the Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS).

 

The Full Story

Whatever dark energy is, explanations for it have less wiggle room following a Hubble Space Telescope observation that has refined the measurement of the universe's present expansion rate to a precision where the error is smaller than five percent. The new value for the expansion rate, known as the Hubble constant, or H₀ (after Edwin Hubble who first measured the expansion of the universe nearly a century ago), is 74.2 kilometers per second per megaparsec (error margin of ± 3.6). The results agree closely with an earlier measurement gleaned from Hubble of 72 ± 8 km/sec/megaparsec, but are now more than twice as precise.

The Hubble measurement, conducted by the SHOES (Supernova H₀ for the Equation of State) Team and led by Adam Riess, of the Space Telescope Science Institute and the Johns Hopkins University, uses a number of refinements to streamline and strengthen the construction of a cosmic "distance ladder," a billion light-years in length, that astronomers use to determine the universe's expansion rate.

Hubble observations of pulsating stars called Cepheid variables in a nearby cosmic mile marker, the galaxy NGC 4258, and in the host galaxies of recent supernovae, directly link these distance indicators. The use of Hubble to bridge these rungs in the ladder eliminated the systematic errors that are almost unavoidably introduced by comparing measurements from different telescopes.

Riess explains the new technique: "It's like measuring a building with a long tape measure instead of moving a yard stick end over end. You avoid compounding the little errors you make every time you move the yardstick. The higher the building, the greater the error."

Lucas Macri, professor of physics and astronomy at Texas A&M, and a significant contributor to the results, said, "Cepheids are the backbone of the distance ladder because their pulsation periods, which are easily observed, correlate directly with their luminosities. Another refinement of our ladder is the fact that we have observed the Cepheids in the near-infrared parts of the electromagnetic spectrum where these variable stars are better distance indicators than at optical wavelengths."

This new, more precise value of the Hubble constant was used to test and constrain the properties of dark energy, the form of energy that produces a repulsive force in space, which is causing the expansion rate of the universe to accelerate.

By bracketing the expansion history of the universe between today and when the universe was only approximately 380,000 years old, the astronomers were able to place limits on the nature of the dark energy that is causing the expansion to speed up. (The measurement for the far, early universe is derived from fluctuations in the cosmic microwave background, as resolved by NASA's Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP, in 2003.)

Their result is consistent with the simplest interpretation of dark energy: that it is mathematically equivalent to Albert Einstein's hypothesized cosmological constant, introduced a century ago to push on the fabric of space and prevent the universe from collapsing under the pull of gravity. (Einstein, however, removed the constant once the expansion of the universe was discovered by Edwin Hubble.)

"If you put in a box all the ways that dark energy might differ from the cosmological constant, that box would now be three times smaller," says Riess. "That's progress, but we still have a long way to go to pin down the nature of dark energy."

Though the cosmological constant was conceived of long ago, observational evidence for dark energy didn't come along until 11 years ago, when two studies, one led by Riess and Brian Schmidt of Mount Stromlo Observatory, and the other by Saul Perlmutter of Lawrence Berkeley National Laboratory, discovered dark energy independently, in part with Hubble observations. Since then astronomers have been pursuing observations to better characterize dark energy.

Riess's approach to narrowing alternative explanations for dark energy—whether it is a static cosmological constant or a dynamical field (like the repulsive force that drove inflation after the big bang)—is to further refine measurements of the universe's expansion history.

Before Hubble was launched in 1990, the estimates of the Hubble constant varied by a factor of two. In the late 1990s the Hubble Space Telescope Key Project on the Extragalactic Distance Scale refined the value of the Hubble constant to an error of only about ten percent. This was accomplished by observing Cepheid variables at optical wavelengths out to greater distances than obtained previously and comparing those to similar measurements from ground-based telescopes.

The SHOES team used Hubble's Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) and the Advanced Camera for Surveys (ACS) to observe 240 Cepheid variable stars across seven galaxies. one of these galaxies was NGC 4258, whose distance was very accurately determined through observations with radio telescopes. The other six galaxies recently hosted Type Ia supernovae that are reliable distance indicators for even farther measurements in the universe. Type Ia supernovae all explode with nearly the same amount of energy and therefore have almost the same intrinsic brightness.

By observing Cepheids with very similar properties at near-infrared wavelengths in all seven galaxies, and using the same telescope and instrument, the team was able to more precisely calibrate the luminosity of supernovae. With Hubble's powerful capabilities, the team was able to sidestep some of the shakiest rungs along the previous distance ladder involving uncertainties in the behavior of Cepheids.

Riess would eventually like to see the Hubble constant refined to a value with an error of no more than one percent, to put even tighter constraints on solutions to dark energy.

CONTACT

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

Adam Riess
Space Telescope Science Institute/Johns Hopkins University, Baltimore, Md.
410-516-4474
ariess@stsci.edu

 

 

사진 2>

ABOUT THIS IMAGE:

Hubble measurements have simplified the cosmic "distance ladder," which is needed to calculate a more precise value for the universe's expansion rate, called the Hubble constant. At select host galaxies, Cepheid variable stars — known as reliable milepost markers — are cross-calibrated to Type Ia supernovae in the same host galaxy. The new technique reduced the distance ladder to three "rungs": (1) The distance to galaxy NGC 4258 is measured using straightforward geometry and Kepler's laws; (2) Cepheids in six more distant galaxies are used to calibrate the luminosity of Type Ia supernovae; (3) The Hubble constant is measured by observing a brighter milepost marker, Type Ia supernovae, in more distant galaxies hundreds of millions of light-years away, embedded in the expanding universe.