은하수의 역사를 추적하는 별의 고고학

 

 

사진1>  이 삽화는 헤일로의 내부와 외곽부의 구조를 보여주고 있다.

헤일로는 우리 은하를 둘러싸고 있는 별들로 구성된 구체의 구름을 말한다.

천문학자들은 우리 은하의 헤일로가 두 세대의 별들로 구성되어 있다고 제안해왔다.

칠레 파라날 천문대의 관측자료에 의하면 내부 헤일로를 구성하고 있는 별들의 연령대는 115억년 정도이다.

측정치들은 내부 헤일로의 별들이 일부 별들의 경우 135억 살에 달하는 외부 헤일로의 별들보다 훨씬 젊음을 말해주고 있다.

 

 

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불행하게도 별들은 출생증명서를 가지고 있지 않다.

그래서 천문학자들은 별들의 나이를 추정하기 위한 고된 시간을 보내게 된다.

별들의 연령을 파악하는 것은 우리 은하가 소규모의 은하들로부터 수십억년에 걸쳐 어떻게 성장해 왔는지를 이해하는데 매우 핵심적인 역할을 하고 있다.

볼티모어 우주망원경 과학연구소와 존스홉킨스 대학 천문과학센터의 Jason Kalirai 는 별의 탄생시기를 증명하는 새로운 방법을 발견하였다.

새로운 기술을 이용하여 Kalirai 는 내부 헤일로 지역에서 백색왜성이라 불리는, 우리 태양과 같은 별이 모든 연료를 태운 후 남게되는 유골과 같은 별들을 탐색했다. 

 

헤일로는 우리 은하 원반을 감싸고 있는 별들로 이루어진 구체 구름을 말한다.

이 별들은 Kalirai의 연구에 의하면 연령대가 115억 살 정도로서 이는 우리 은하의 1세대 별들보다 훨씬 어린 나이에 해당한다.

이들은 137억년전 우주가 생성되고 나서 20억년이 지난 후 생성된 별들인 것이다.

내부 헤일로의 일반적인 별들에 대한 분석 자료를 근거로 한 이전의 측정치에서 별들의 연령대는 100억살에서 140억살 정도 범위에 해당하는 것으로 측정된바 있다.

Kalirai의 연구는 우리 은하의 헤일로가 수십억년의 시간을 거쳐 서로다른 시간대에 다층구조로 형성되었다는 합병의 관점을 지지하고 있다.

 

Kalirai는 자신의 연구방법을 다음과같이 말하고 있다.
"천문학에 있어 가장 큰 질문중 하나는 우리 은하의 이런 저런 부분들이 언제 형성되었는가? 하는 점입니다.
태양과 같은 별들은 수십억년의 수명을 가지고 있고 매우 밝기 때문에 수십억년의 시간동안 우리 은하가 어떻게 진화했왔는지를 추적할 수 있는 훌륭한 단서가 될 수 있습니다.
그러나 은하의 형성과정을 추론하는데 있어 가장 큰 장애물은 태양과 같은 별들의 연령을 정확히 측정할만한 능력이 우리에겐 없다는데에 있습니다.
그래서 저는 이번 연구에서 좀 다른 경로를 선택했습니다.
저는 최후에 다다른 별들을 연구했고, 이들의 질량을 측정하였습니다.

그리고 이 질량을 이들 이전 세대 별들의 연령과 연결해보고 있죠.  

우주에는 죽은 별들이 도처에 있고, 이들의 질량은 우리 태양과 같은 별들보다 더 쉽게 측정된답니다."

 

Kalirai는 우리 은하의 헤일로 속에 있는 백색왜성을 주목하였다.
이들은 우리 은하의 첫번째 거주자들로 간주되고 있기 때문이다.

이들 중 어떤 별들의 나이는 거의 우주 자체의 나이와 맞먹는 나이를 가지고 있기도 하다.

 

이 고대의 별들은 우리 은하의 유년기시절에 대한 화석화된 기록을 제공해주고 있으며 우리 은하의 탄생과 성장에 대한 정보들을 가지고 있다.

 

Kalirai는 우리 은하의 헤일로야말로 언제 그리고 어떻게 우리 은하의 조합과정이 진행됐는지에 대한 고고학적 열쇠를 찾아낼 수 있는 최상의 사냥터와 같다고 생각하고 있다.

그의 연구결과는 5월 30일 네이처지 온라인판에 개재되었다.

백색왜성은 매우 명료한 분광학적 특성을 가지고 있기 때문에 자신의 속성을 쉽게 보여준다.

Kalirai는 이들의 특성을 칠레 파라날 천문대에 있는 남유럽 천문대 VLA를 이용하여 수집한 분광학 데이터를 이용하여 분석하였다.

이 분광 데이터들은 우리 은하의 백색왜성을 집대성한 SPY(the SN Ia Progenitor Survey)의 일환으로 수집된 데이터들이다.

분광학에서는 빛을 그 자신을 구성하고 있는 색채별로 구분해내며, 이로부터 질량과 온도와 같은 별의 특성에 대한 정보를 도출하고 있다.

 

 

 

사진 2>  백색왜성의 분광학적 특성
백색왜성은 매우 주목할만한 속성들을 가지지만 그것들은 매우 단순하다.

수소연료를 모두 태워버려 껍질이 모두 사라진 핵만 남은 백색왜성의 물질들은 지구보다 1백만배의 밀도를 갖고 있다.

이는 백색왜성 표면에 존재하는 물질 한 스푼 정도는 지구에서 스쿨버스 한대 정도의 무게를 갖는다는 것을 의미한다.

백색왜성은 더 이상 에너지를 생성할 일체의 연료를 가지고 있지 않으며 대기는 하나의 원자만을 가진 수소가 대부분을 차지하고 있다. 

이 삽화에는 백색왜성의 분광학적 특징들을 우리 태양 및 청색거성과 비교하고 있다.

 백색왜성의 스펙트럼은 매우 단순한데 오직 수소 원자에 의한 흡수선만을 가지고 있을 뿐이다.

그러나 청색거성(낮은 밀도를 가진 부풀어오른 별)의 스펙트럼에 나타나는 선과는 달리 백색왜성의  흡수선은 좀더 넓게 나타나는데 이는 백색왜성의 강력한 압력으로 인해 발생하는 것이다.
(본질적으로 원자의 에너지레벨은 상당히 불안정한 상태이다.)

그  깊이에서뿐 아니라, 이처럼 확장되어 나타나는 선은 별의 질량 및 온도와 직접적인 관련이 있다.

따라서 대부분의 별들과 달리 천문학자들은 백색왜성과 그 스펙트럼에 대해서는 신뢰할만한 근본적인 속성들을 설정할 수 있다.

 

Kalirai는 우선 우리 은하의 내부 헤일로에서 새로 형성된 백색왜성을 분광분석하여 이들의 질량을 측정하였다.

"고온의 백색왜성들은 우리 태양과 같은 별들이 수소 연료를 이제 막 모두 소진하면서 생성된 별들입니다.
이 백색왜성들의 질량은 바로 이전 세대 별들의 질량과 비례할 것이므로 우리는 이 질량으로 바로 부모세대 별들의 연령을 규정할 수 있게 됩니다."

 

헤일로의 연령을 측정하기 위해 Kalirai는 헤일로의 별들의 질량과 고대의 구상성단인 M4 내에서 새로 생성된 6개의 백색왜성을 비교하였다.

운좋게도 이 성단은 허블이 가장 많이 관측하는 천체중 하나였고 천문학자들이 이 성단이 약 125억살 정도라는 점에는 동의하고 있었다.

 

Kalirai 는 구상성단의 이 죽은 별들을 허블우주망원경에 탑재된 ACS가 촬영한 거의 2천개에 달하는 백색왜성에 대한 가시광선 탐사데이터에서 발견해냈다.

그리고 그가 헤일로의 백색왜성에 대해 사용한 것과 같은 동일 기술을 성단의 백색왜성들에 적용하여 측정해 보았다.

이 별들의 분광분석 자료는 하와이 켁 천문대의 자료로부터 얻어졌다.

그의 측정치는 헤일로의 백색왜성이 M4의 백색왜성들보다 훨신 무겁다는 것을 보여주었고, 이는 오늘날의 백색왜성으로 진화한 이전 세대 별들 역시 헤일로의 별들이 구상성단의 별들보다 훨씬 무거웠을 것이라는 점을 시사하고 있다.

그렇다면 이 별들은 구상성단 M4의 별들보다는 훨씬 어린 별들이 된다.
훨신 무거운 별들이 그들의 수소 연료를 훨씬 더 빠른 비율로 소비하게 되고, 그러므로 가벼운 별들보다 훨씬 빨리 종말을 맞게 되기 때문이다.

 

비록 Kalirai의 연구 결과는 소규모의 샘플을 기반으로 도출되긴 했지만 이는 우리 은하의 헤일로가 서로 다른 두 세대의 별들로 구성되어 있다는 최근의 연구결과를 지지하고 있다.

지금까지의 연구에 의하면 우리 은하의 생성은,  빅뱅이후 수억년 상관에 형성되었으며 지금은 은하의 헤일로 안에 머물고 있는 가장 오래된 구상성단과 왜소은하들로부터 시작되었다.
이들이 수십억년동안 충돌합병되면서 우리 은하의 구조를 형성하였다는 것이다.

내부 헤일로의 별들은 이처럼 은하의 형성이 계속되는 와중에 생성된 것들이다.

오랜 시간에 걸쳐 우리은하는 빅뱅으로부터 채 20억년이 되지 않는 시간동안 형성된 왜소은하들을 게걸스럽게 먹어치웠다.

이때 합병된 고대의 별들은 헤일로의 변두리에 위치하면서 헤일로 외곽부를 형성하였다.

"이전의 연구에서는 내부 헤일로를 구성하고 있는 별들은 외곽부를 구성하고  있는 별들과는 속도나 화학적 구성에 있어 다른 양상을 띠고 있다는 점을 보여주고 있습니다.
그러한 시각에는 어떤 문제도 없었습니다. 그러나 이 두 그룹의 연령대가 같은지 다른지에 대한 얘기는 존재하지 않았습니다.
지금 우리의 연구는 헤일로 안쪽 별들의 연령대를 제안하고 있는 것입니다. 

우리는 외부 헤일로에 멀리 떨어진 구상성단들이 내부 헤일로의 별들보다 훨신 오래전에 생성된 것임을 알고 있습니다.
아마도 이들의 나이는 135억년 정도 될 것입니다.
만약 당신이 헤일로 외곽부에서 백색왜성을 발견한다면 이들은 이전 세대에 존재했던 태양과 같은 별들로부터 생성되었을 것이라는 점을 예견할 수 있습니다. 
오늘날 현재 세대  별들의 질량에서 만들어내는 백색왜성은 훨씬 적을 것이며 따라서 측정 가능한 백색왜성들의 질량 역시 훨씬 적게 나타날 것입니다." 
 

Kalirai는 그의 새로운 기술이 헤일로의 더 많은 백색왜성들에 적용되어 우리 은하의 역사를 밝혀내는데 도움이 되기를 희망하고 있다.

"헤일로 내부의 별들에 대한 흥미있는 질문중 하나는 이들이 동시대에 생성되었는가? 

아니면 이들이 오랜 시간에 걸쳐 서로 다른 시대에 형성되어왔는가 하는 점입니다.
20~30개의 백색왜성을 샘플로 진행한 연구는 백색왜성의 질량으로부터 유추한 연령대가 110억년에서 130억년까지 고려해볼 수 있다는 점을 보여줍니다.
이는 특정 시대에 대부분이 형성되었다는 견해와는 반대로 우리은하의 생성과 성장을 만들어낸 사건들이 수십억년동안 지속되었음을 말해주는 것입니다."

 

* '허블사이트'폴더에는 허블공식사이트(http://hubblesite.org) 의 뉴스센터 자료를 번역,게시하고 있습니다.
   본 내용은 2012년 5월 30일 발표된 뉴스입니다.

 

 

원문>

 

사진1>

ABOUT THIS IMAGE:

This illustration shows the Milky Way galaxy's inner and outer halos. A halo is a spherical cloud of stars surrounding a galaxy. Astronomers have proposed that the Milky Way's halo is composed of two populations of stars. The age of the stars in the inner halo, according to measurements by the Paranal Observatory, is 11.5 billion years old. The measurements suggest the inner-halo stars are younger than the outer-halo population, some of which could be 13.5 billion years old.

Object Name: Milky Way

Image Type: Illustration

 

사진 2>

ABOUT THIS IMAGE:

White dwarf stars have remarkable properties, yet they are very simple. These stripped cores of normal hydrogen-burning stars are about 1 million times denser than matter on Earth. This means that a tablespoon of material from a white dwarf's surface would weigh as much as a school bus on Earth. White dwarfs also have no fuel to generate energy, and most of their atmospheres contain a single atom, hydrogen.

The figure illustrates the spectral features of a white dwarf, in comparison to the Sun and a blue giant. The white dwarf spectrum is simple, containing only absorption lines from the hydrogen atom. But, unlike the same lines in the blue giant spectrum (a bloated star with a low density), the features in the white dwarf are broadened due to the intense pressure on the surface of the star (essentially, the energy levels of the atom are being perturbed). This broadening of the lines, as well as their depth, is directly related to the mass and temperature of the star. Unlike for most stars, astronomers can therefore reliably establish fundamental properties for white dwarfs from their spectra.

 

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Unfortunately, stars don't have birth certificates. So, astronomers have a tough time figuring out their ages. Knowing a star's age is critical for understanding how our Milky Way galaxy built itself up over billions of years from smaller galaxies.

Jason Kalirai of the Space Telescope Science Institute and The Johns Hopkins University's Center for Astrophysical Sciences, both in Baltimore, Md., has found the next best thing to a star's birth certificate. Using a new technique, Kalirai probed the burned-out relics of Sun-like stars, called white dwarfs, in the inner region of our Milky Way galaxy's halo. The halo is a spherical cloud of stars surrounding our galaxy's disk.

Those stars, his study reveals, are 11.5 billion years old, younger than the first generation of Milky Way stars. They formed more than 2 billion years after the birth of the universe 13.7 billion years ago. Previous age estimates, based on analyzing normal stars in the inner halo, ranged from 10 billion to 14 billion years.

Kalirai's study reinforces the emerging view that our galaxy's halo is composed of a layer-cake structure that formed in stages over billions of years.

one of the biggest questions in astronomy is, when did the different parts of the Milky Way form?" Kalirai said. "Sun-like stars live for billions of years and are bright, so they are excellent tracers, offering clues to how our galaxy evolved over time. However, the biggest hindrance we have in inferring galactic formation processes in the Milky Way is our inability to measure accurate ages of Sun-like stars. In this study, I chose a different path: I studied stars at the end of their lives to determine their masses and then connected those masses to the ages of their progenitors. Given the nature of these dead stars, their masses are easier to measure than Sun-like stars."

Kalirai targeted white dwarfs in the galaxy's halo because those stars are believed to be among the galaxy's first homesteaders. Some of them are almost as old as the universe itself. These ancient stars provide a fossil record of our Milky Way's infancy, possessing information about our galaxy's birth and growth. "The Milky Way's halo represents the premier hunting ground in which to unravel the archaeology of when and how the galaxy's assembly processes occurred," Kalirai explained.

His results will appear online May 30 in a letter to the journal Nature.

White dwarfs divulge their properties so freely because they have a distinct spectral signature. Kalirai analyzed their signatures using archival spectroscopic data from the European Southern Observatory's Very Large Telescope at the Paranal Observatory in Chile. The spectroscopic data are part of the SN Ia Progenitor Survey (SPY), a census of white dwarf stars in the Milky Way. Spectroscopy divides light into its constituent colors, yielding information about a star's characteristics, including its mass and temperature. In his study, Kalirai first analyzed the spectra of several newly minted white dwarfs in the galaxy's inner halo to measure their masses. "The hottest white dwarfs are the descendants of Sun-like stars that have just extinguished their hydrogen fuel," he explained. "The masses of these white dwarfs are proportional to the masses of their progenitors, and we can use that mass to establish the age of the parent stars."

To measure the halo's age, Kalirai compared the masses of the halo stars with those of six newly formed white dwarfs in the ancient globular star cluster M4. Fortunately, the cluster is one of Hubble's favorite targets, and astronomers have a reliable age for when it formed, 12.5 billion years ago. Kalirai found these dead cluster stars in archival visible-light images of nearly 2,000 white dwarfs taken by the Advanced Camera for Surveys aboard NASA's Hubble Space Telescope.

He applied the same techniques that he used on the halo white dwarfs to these cluster white dwarfs. The spectroscopic observations for these stellar remnants came from the W.M. Keck Observatory in Hawaii. His measurements revealed that the halo white dwarfs are heavier than those in M4, indicating the progenitor stars that are evolving into white dwarfs today are also heavier. Therefore, these stars are younger than the M4 stars. More massive stars consume their hydrogen fuel at a faster rate and therefore end their lives more quickly than lighter-weight stars.

Although Kalirai's result is based on a small sample of stars, it does support recent work proposing that the halo is composed of two different populations of stars.

According to the research, the Milky Way's construction schedule began with the oldest globular star clusters and dwarf galaxies, which formed a few hundred million years after the big bang, settling into what is now the galaxy's halo. These populations merged over billions of years to form the structure of our Milky Way. Stars in the inner halo were born during the assembly process. Over time, the Milky Way gobbled up older dwarf galaxies that formed less than 2 billion years after the big bang. Their ancient stars settled into the outskirts of the halo, creating the outer halo.

"In the previous work, the inner population was shown to be different from the outer population in terms of the velocities and chemical abundances of the stars," Kalirai said. "There were no constraints, however, on whether there was an age difference between the two populations. Now, our work suggests an age for the inner halo stars.

"We know some of the remote globular clusters in the outer halo are much older than the inner halo stars, perhaps around 13.5 billion years old," Kalirai contined. "So, our prediction is that if you find white dwarfs in the outer halo, they would have formed from older generations of Sun-like stars. The present day masses of stars in the generation that are now forming white dwarfs would be lower, and therefore the white dwarf masses — which we can measure — will also be lower."

Kalirai hopes to apply his new technique on more halo white dwarfs in his quest to help uncover our galaxy's history.

one of the interesting questions about the inner halo stars is, did all of them form at the same time, or did they form over a span of time?" Kalirai said. "A sample of 20 to 30 white dwarfs would allow us to see if the inferred ages from the white dwarf masses span from 11 billion to 13 billion years. That could tell us that the accretion events that helped build up the Milky Way kept happening for several billion years, as opposed to all predominantly happening at one epoch."

CONTACT

Donna Weaver
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4493
dweaver@stsci.edu

Jason Kalirai
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4747
jkalirai@stsci.edu