암흑물질의 연구에 서광을 비추다 : 허블 발사 19주년 기념뉴스 - 3 -

천문학자들은 은하단끼리의 충돌이라는 거대한 사건을 연구하면서 암흑물질의 존재에 대한 강력한 증거를 수집해 왔다. 

이번에 천문학자들은 총알은하단이라고 알려져 있기도 한 은하단 1E0657-56을 관측하면서 두 개의 은하단이 서로 스쳐지나가면서 암흑물질과 일반물질이 분리되는 현상을 발견하였다. 

 

이번 연구는 망원경으로는 탐지가 불가능한, 비가시적 물질인 암흑물질을 처음으로 직접 관측한 사례이다.

암흑물질은 우주의 전체 질량에서 상당부분을 차지하고 있으며 근본적인 구조를 형성하고 있다. 

 

암흑물질의 중력은 가스와 먼지와 같은 일반물질들과 상호작용을 하여 이들을 별로, 그리고 은하로 형성되게 만든다.

 

천문학자들은 이들의 중력이 다른 천체에 끼치는 영향을 측정함으로써 이들의 존재를 추론하고 있다. 

이들은 먼거리에 위치한 은하로부터 발생한 빛이 가까이 위치한 천체의 중력에 영향을 받아 뒤틀려보이는 현상인 중력렌즈라 불리는 현상에 의해 총알 은하단에서 뒤틀려 보이는 천체를 측정함으로써, 암흑에너지가 행사하는 중력을 측정하였다.

 

이 와중에 천문학자들은 두 개 은하단의 거대한 충돌에 의해 암흑물질과 일반물질이 분리되었음을 발견하였다.

이번 작업에는 허블우주망원경과, 찬드라 X선 망원경, 남유럽천문대의 VLT(Very Large Telescope), 마젤란 가시광 망원경(the Magellan optical telescope)이 함께 참여했다.

 

한편 허블은 Cl 0024+17 은하단에 대한 중력렌즈 연구를 통해 오래전 거대한 질량을 가진 은하간의 충돌이 발생하는 동안 형성된 특이한 암흑물질 고리를 발견하기도 했다.

( Cl 0024+17 의 암흑물질 연구보도문은 다음의 링크를 참조하세요.  https://big-crunch.tistory.com/8821562)

 

천문학자들은 만약 이 은하단에서 눈에 보이는 별들의 질량만이 중력발생원천의 전부라면 이 은하단은 이미 뿔뿔이 흩어졌을 거라고 오래전부터 의심해왔다.

 

고리는 충돌이 발생하는 동안 일반물질로부터 떨어져나온 암흑물질의 파동이다.

은하단의 충돌에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과는 두 개의 은하단이 서로 충돌할 때, 암흑물질이 양 은하단간의 연결 중심부로 한꺼번에 쏟아져 들어왔다가 다시 외곽부로 쏟아져나오고 있다는 사실을 보여주고 있다. 

 

이렇게 암흑물질이 외곽으로 밀려날때, 그 반발속도가 중력장의 영향으로 느려지고 연쇄적으로 적채되면서 마치 동심원과 같은 고리 모양의 구조를 형성하게 된 것이다.  

 

천문학자들은 Cl 0024+17의 관측을 통하여 암흑물질이 중력에 어떻게 반응하는지를 연구할 수 있었다.

또한 천문학자들은 허블우주망원경을 이용하여 우주에서 각종 천체들을 형성시킨 발판으로서 고려되고 있는 암흑물질의 3차원 지도를 처음으로 제작하였다.

이를 위해 연구진은 아주 멀리 떨어져 있는 50만개에 달하는 은하의 형태를 측정하였다.

 

새로운 지도는 암흑물질이 고밀도로 집중된 부분을 따라 모여있는, 주로 은하와 같은 일반물질들의 기원에 대한 최상의 증거를 제공해주고 있다. 

 

우주 역사의 과거로 반 정도 거슬러 올라간 부분까지를 커버하고 있는 이 지도는
은하단과 같이 거대 천체들이 몰려있는 지역을 관통하면서 성장을 계속하고 있는 우주 필라멘트의 느슨한 연결구조를 밝혀 주었다.
(암흑물질 분포 지도 작성에 대한 내용은 다음의 링크를 참고하세요. https://big-crunch.tistory.com/9198868)
 

 

 

 

이 사진은 '총알은하단'이라는 이름으로 알려져 있는 은하단 IE 0657-556의 합성사진이다.

이 은하단은 우주의 빅뱅이후 가장 강력한 사건으로 알려져 있는 은하단 간의 충돌로 생성된 성단이다.

 

찬드라 X선 망원경에 의해 탐지된 뜨거운 가스가 두 개의 핑크색 뭉치로 보이고, 이곳에는 각 은하단을 구성하는 대부분의 보통 물질 또는 바리온이 포함되어 있다.

 

오른쪽에 총알 형태를 띄고 있는 뭉치는 한 은하단으로부터 나온 뜨거운 가스인데 이 뭉치는 충돌시 좀더 큰 규모의 상대방 은하단으로부터 방출된 뜨거운 가스를 통과한 것이다. 

 

마젤란 가시광 망원경과 허블 우주망원경으로 촬영된 가시광선 이미지들은 오랜지색과 하얀색으로 나타나 있다.  

사진에서 푸른색으로 표시되어 있는 것은 천문학자들이 각 은하단에서 대부분의 질량이 모여있는 곳으로 밝혀낸 부분을 묘사한 것이다.

 

질량중심은 중력 렌즈라고 부르는, 즉, 원거리의 천체로부터 발생한 빛이 중간의 모종의 질량체에 의해 휘어지면서 발생하는 현상을 분석하여 결정된 것이다.

 

사진에서 보이는 바와 같이 각 은하단의 대부분의 질량이 모여있는 부분(파란색)이 일반 물질의 질량이 모여 있는 것으로 탐지된 부분(분홍색)과 명백하게 다르게 나타나는데 이는 곧 각 성단의 질량을 차지하는 물질의 대부분이 암흑물질이라는 증거가 되는 것이다.

 

각 은하단의 뜨거운 가스들은 충돌이 발생하는 동안 공기저항과도 같은 마찰력에 의해 속도가 지체되는 현상이 발생했다.

그러나 이와는 대조적으로 암흑물질은 전혀 충돌로 인한 진행속도의 감소가 나타나지 않았는데 이는 암흑물질의 성질이 중력을 제외한 가스 또는 암흑물질 자체 등 그 어떤 것과도 직접적인 상호작용을 발생시키지 않기 때문이다.

 

그러므로 충돌이 진행되는동안 각각의 은하단에 분포하는 암흑물질의 뭉치는 뜨거운 가스보다 훨신 앞쪽으로 위치하는 것이며, 이러한 현상이 이 사진에 일반물질과 암흑물질의 분리양상으로 표현되어 있는 것이다. 

 

만약 뜨거운 가스가 각 은하단을 구성하고 있는 가장 무거운 요소였다면 중력에 대한 상대성이론을 고려했을 때, 이와 같은 현상은 결코 발생하지 않았을 것이다. 

따라서 이러한 결과는 암흑물질이 반드시 존재해야 한다는 것을 의미한다.

푸른색 복사가 표시되어 있는 부분의 가시광선 이미지와 비교해보면 각 은하단에 위치한 은하의 대부분은 암흑물질 뭉치에 더 가까이 위치하고 있음을 알 수 있다.

이것 역시 각 은하단에 분포하는 은하들 역시 뜨거운 가스와는 달리 충돌로 인한 진행속도의 감소를 겪지 않았음을 의미한다.

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

   본 내용은 2009년 4월 21일 발표된 허블 발사 19주년 기념 뉴스의 한 부분입니다.

 

허블우주망원경 발사 19주년 기념 뉴스 1
허블우주망원경 발사 19주년 기념 뉴스 2
허블우주망원경 발사 19주년 기념 뉴스 3 : 현재글
허블우주망원경 발사 19주년 기념 뉴스 4

 

 

원문>

Shining a Light on Dark Matter

STScI-2006-39 Astronomers studying titanic collisions between clusters of galaxies have collected strong evidence that dark matter exists.

Their observations of the galaxy cluster 1E0657-56, also known as the “Bullet Cluster,” found that dark matter and normal matter were pulled apart by the smashup between two groupings of galaxies. This study was the first direct detection for dark matter, an invisible substance that cannot be detected by telescopes. Dark matter makes up most of the total mass of the universe and forms its underlying structure. Dark matter’s gravity interacts with normal matter, such as gas and dust, allowing it to build up into stars and galaxies.

Astronomers infer dark matter’s existence by measuring its gravitational influence. They measured the way in which the Bullet Cluster warped or distorted space, a phenomenon called gravitational lensing, where gravity from the clusters distorts light from background galaxies. Astronomers found that dark matter and normal matter were pulled apart by the tremendous collision of the two clusters of galaxies. Hubble teamed up with the Chandra X-ray Observatory, the European Southern Observatory’s Very Large Telescope, and the Magellan optical telescopes to make the discovery.

In another Hubble gravitational lensing study of the galaxy cluster Cl 0024+17, astronomers discovered a ghostly ring of dark matter that formed long ago during a clash between two groups of massive galaxies. Astronomers have long suspected that such clusters would fly apart if they relied only on the gravity from their visible stars. The ring is a ripple of dark matter that was pulled apart from normal matter during the collision.

Computer simulations of galaxy cluster collisions show that when two clusters smash together, the dark matter falls to the center of the combined cluster and sloshes back out. As the dark matter moves outward, it begins to slow down under the pull of gravity and pile up. The observations of Cl 0024+17 allowed astronomers to study the way in which dark matter responds to gravity.

Astronomers also used Hubble to make the first three-dimensional map of dark matter, considered the construction scaffolding of the universe. They constructed the map by using Hubble to measure the shapes of half a million faraway galaxies.

The new map provides the best evidence to date that normal matter, largely in the form of galaxies, accumulates along the densest concentrations of dark matter. The map, which stretches halfway back to the beginning of the universe, reveals a loose network of filaments that grew over time and intersect in massive structures at the locations of galaxy clusters.

ABOUT THIS IMAGE:

This composite image shows the galaxy cluster 1E 0657-556, also known as the "bullet cluster." This cluster was formed after the collision of two large clusters of galaxies, the most energetic event known in the universe since the Big Bang.

Hot gas detected by Chandra in X-rays is seen as two pink clumps in the image and contains most of the "normal," or baryonic, matter in the two clusters. The bullet-shaped clump on the right is the hot gas from one cluster, which passed through the hot gas from the other larger cluster during the collision. An optical image from Magellan and the Hubble Space Telescope shows the galaxies in orange and white. The blue areas in this image depict where astronomers find most of the mass in the clusters. The concentration of mass is determined by analyzing the effect of so-called gravitational lensing, where light from the distant objects is distorted by intervening matter. Most of the matter in the clusters (blue) is clearly separate from the normal matter (pink), giving direct evidence that nearly all of the matter in the clusters is dark.

The hot gas in each cluster was slowed by a drag force, similar to air resistance, during the collision. In contrast, the dark matter was not slowed by the impact because it does not interact directly with itself or the gas except through gravity. Therefore, during the collision the dark matter clumps from the two clusters moved ahead of the hot gas, producing the separation of the dark and normal matter seen in the image. If hot gas was the most massive component in the clusters, as proposed by alternative theories of gravity, such an effect would not be seen. Instead, this result shows that dark matter is required.

Comparing the optical image with the blue emission shows that the most of the galaxies in each cluster are located near the two dark matter clumps. This shows that the galaxies in each cluster did not slow down because of the collision, unlike the hot gas.

Object Name: 1ES 0657-55.8

Image Type: Astronomical

 

Credit: X-ray: NASA/CXC/M.Markevitch et al.
Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.
Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.