허블우주망원경이 촬영한 희귀한 중력렌즈현상

 

사진 1> 허블우주망원경이 촬영한 이 사진에는 100억광년 떨어진 거대 질량의 은하단 뒤에서 발생한 푸른 빛의 아치가 담겨있다. 
이 거대 아치는 훨씬더 뒤에 위치하고 있는 새로운 별들을 만들어내고 있는 은하의 빛이 중력렌즈라 불리는, 앞에 위치한 거대 은하단의 강력한 중력에 휘어지면서 만들어진 것이다.

이렇게 렌즈효과를 받은 은하는 약 100억년에서 130억년 전에 존재하고 있던 은하이다. 
작은 박스안에 보이는 아치는 IDCS J1426.5+3508 로 명명된 은하단을 촬영한 허블 사진에서 거의 눈에 보일듯 말듯하다.

오른쪽 박스안에는 이 아치의 확대된 모습이 나타나있다.

이 사진은 허블 ACS와 WFC3에 의해 2010년 촬영된 것이다. 
중력렌즈효과를 만들어내는 은하단의 질량은 이 시대에 존재했던 은하단들 중 가장 큰 질량을 가진 것으로서 그 질량은 태양의 500조배에 달하고 있다.

이는 우주의 역사에서 이처럼 이른 시기에 발견된 다른 은하단들에 비해 5배에서 10배에 달하는 질량이다.

이 은하단은 중력렌즈아치를 만들어내는 주체 은하로서는 지금까지 알려진 가장 멀리 떨어진 독특한 천체이다. 

 

The full news release story:

보는 것이 믿는 것이다. 당신이 보는 것을 믿지 못하는 경우를 제외하고는 말이다. 

천문학자들이 NASA의 허블우주망원경을 이용하여 100억광년 거리에 위치하는, 극단적으로 거대한 질량을 가진 은하단의 뒤쪽에서 날아오는, 파편화된 아치형태의 빛을 잡아냈다. 

NASA의 스피처 우주망원경이 이전에 발견한 이 은하그룹은 우주의 현재 나이인 137억살에서 약 4분의 1시점의 우주를 관측한 것이다.

거대한 빛의 아치는 훨씬더 멀리 떨어진 은하가 쭉 뻗은 모양을 하고 있으며 이 아치는 중력렌즈라고 불리는 거대한 은하단의 강력한 중력에 의해 빛이 휘면서 발생한 것이다.
문제는 이 아치는 존재해서는 안된다는 데에 있다. 
 
이번 연구의 책임자인 플로리다 대학의 안토니 골잘레즈( Anthony Gonzalez)의 말을 들어보자.
"제가 처음 이 아치를 봤을 때, 저는 계속 이 천체를 주목했습니다. 이게 곧 사라질 것이라고 생각하면서 말이죠.
정설에 의하면 이 거리에서 발생하는 빛의 아치는 매우 드문 경우일 수밖에 없습니다.
우주의 초기시대에, 우리가 예측하는 바는 우리가 충분히 볼 수 있을 정도의 밝은 은하단의 뒤쪽에 설령 그것이 은하단에 의해 빛이 휘는 렌즈효과를 겪는다 해도 거의 이런 효과를 볼 은하가 없을 것이라고  판단하고 있었죠.

또다른 문제는 시간을 거슬러올라갈수록 은하단의 질량은 훨씬 작아진다는 것입니다.
그래서 뒤쪽에 멀리 위치한 은하의 빛에 대해 중력렌즈효과를 만들어낼만큼 충분한 질량을 가진 은하단을 이처럼 먼 거리에서는 찾기 힘들다는 것입니다."
 

은하단이란 수백개에서 수천개의 은하들이 중력적으로 하나로 묶여있는 천체를 말한다.

이들은 은하에서 가장 큰 질량을 가진 천체이다.

 

천문학자들은 은하단을 종종 너무나 희미해서 천체망원경으로도 관측하기 어려운 훨신 멀리 떨어진 은하들을 확대하여 관측하기 위한 목적으로 사용하기도 한다.

지금까지 지구에 가까이 위치한 은하단의 뒤쪽에서 중력렌즈 효과에 의해서 많은 은하들이 발견되었다.

그런데 이번 허블우주망원경의 관측에서 놀라운 점은 대단히 멀리 떨어진 은하단의 중력효과에 의해 은하가 발견되었다는 것이다.

DCS J1426.5+3508 라고 명명된 이 은하단은 이 시대의 천체로서는 가장 무거운 천체로서 그 질량은 무려 태양 500조개와 맞먹는 무게이다.

이는 우주역사에서 초기에 해당하는 이 시기에 발견된 다른 은하단에 비해 5에서 10배나 많은 질량에 해당한다.

 

연구팀은 이 은하단을 특정하여 스피처 우주망원경의 관측 자료와 아리조나 툭손 키트피크 국립 천문대의 "국립 가시광 천체관측의 심우주 탐사( the National Optical Astronomy Observatory's Deep Wide Field Survey )"의 일환으로 얻어진 가시광 데이터를 연계하여 연구하였다. 

 

이러한 연구결과 연구팀은 이 은하단이 매우 붉은 색을 띠는 은하들의 그룹으로 이루어진 것을 알아냈는데 이는 이 은하들이 엄청난 거리로 떨어져 있음을 의미한다. 
 
이 은하단은 중력렌즈아치를 만들어내는 주체 은하로서는 지금까지 알려진 가장 멀리 떨어진 독특한 천체이다. 

이처럼 고대 중력아치의 발견은 빅뱅이후 첫번째 시기동안 어떻게 초기 우주에서 거대 은하단의 생성을 위한 조건들이 설정되었는지를

통찰해볼 수 있게 해 줄 것이다.

 
이 은하단에서 아치를 식별해낸 가시광 사진은 2010년 허블의 ACS에 의해 촬영되었다. 

 

허블 WFC3 의 적외선 측정능력은 정확한 거리에 대한 정보를 제공하였으며 중력렌즈 역할을 한 은하단은 지금까지 발견된 은하단들 중 가장 먼거리에 위치하는 은하단의 하나로 확정되었다.

 
천문학자들은 이 은하단까지의 거리를 결정할 때, 허블우주망원경과 CARMA( the Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy) 전파망원경, 그리고 찬드라 X선 망원경을 독립적으로 사용하였으며 그 결과 이 은하단이 대단히 극단적인 질량을 가지고 있음을 알게되었다.

CARMA의 관측자료는 천문학자들이 빅뱅으로부터 발생한 태초의 빛이 이 은하단에 넓게 퍼져있는 초고온의 엷은 가스층을 통과할 때 어떤 영향을 받았는지를 측정하여 은하단의 질량을 결정할 수 있도록 해주었다.

천문학자들은 또한 허블우주망원경의 WFC3관측 자료를 활용하여 이와 같은 중력렌즈 아치를 만들어내기 위해 은하단의 질량이 어느정도여야 하는지를 계산하였다.

찬드라 X선망원경이 얻은 X선 대역의 밝기 역시 이 은하단의 질량을 측정하는데 사용되었다. 
 
연구팀원중 하나인 미주리-켄사스 시립대학의 마크 브로드윈(Mark Brodwin)의 소감은 다음과 같다.
"우리 우주의 극초기에 존재했던 이와 같은 거대 은하단을 발견할 수 있는 확률은 우리가 탐사했던 작은 지역에서는 1%도 채 안되는 확률이었습니다. 
이번 발견은 우리가 오늘날 목격하고 있는 코마 은하단이나, 최근에 발견된 E1 고르도 은하단(El Gordo Cluster)과 같은 가장 거대한 질량을 가진 은하단들이 어떤 진화과정을 밟아왔는지에 대한 정보를 제공해 주고 있습니다."

 

 

 

아치에 대한 분석결과는 이 천체가 100억년에서 130억년 이전에 존재했던 새로운 별들을 만들어내는 은하인 것으로 밝혀졌다.

연구팀은 이 은하에 대한 좀더 정확한 거리를 측정하기 위해 허블우주망원경을 다시 이용하기를 희망하고 있다. 
 
곤잘레즈는 이 아치가 가능했던 이유에 대해 몇가지 가설을 고려하고 있다. 
 
그 중 하나는 멀리 떨어져 있는 은하단의 경우, 우리 근처에 가까이 존재하는 은하단과는 달리 중심부에 은하들이 대단히 고밀도로 몰려있어 훨씬 우수한 확대경의 역할을 수행한다는 것이다.

 

그러나 정설에 의하면, 아무리 원거리 은하단의 중심부가 고밀도라 하더라도 곤잘레즈의 관측에서 목격된바와 같은 거대한 아치를 구성할 만한 중력을 갖추기에는 시간상 여전히 충분하지 않을 수밖에 없는 상태이다.
 

또 다른 가설은 빅뱅 바로 이후에 만들어진 물질들에서의 미시적 진동이 표준우주론에서 예견한 것과는 달라서 예상보다 훨씬 더 거대질량의 은하 생성이 가능했을 것이라는 것이다.

 

곤잘레즈의 의견은 다음과 같다.
"저는 아직 그 어느 가설도 확신하지는 않습니다.  결국 우리는 고작 하나의 예시밖에 발견하지 못했으니까요. 

우리는 정말 80억광년에서 100억광년 거리에 위치하는 거대 질량의 은하단과 이중에서 얼마나 더 많은 중력렌즈 천체를 우리가 발견할 수 있을지에 대해 더 연구할 필요성이 있을 뿐이라고 생각합니다."

 
연구팀의 연구 결과는 3개의 논문으로 기술되었으며 Astrophysical Journal 온라인 판에는 오늘 개제되었으며, Astrophysical Journal에는 2012년 7월 10일 발표될 예정이다.

 

각 논문의 제 1 저자는 곤잘레즈, 브로드윈, 그리고 캘리포니아 대학의 아담 스탠포드이다.

 

 

* '허블사이트'폴더에는 허블공식사이트(http://hubblesite.org) 의 뉴스센터 자료를 번역,게시하고 있습니다.
   본 내용은 2012년 6월 26일 발표된 뉴스입니다.

 

원문>

 

사진1>

ABOUT THIS IMAGE:

These images, taken by NASA's Hubble Space Telescope, show an arc of blue light behind an extremely massive cluster of galaxies residing 10 billion light-years away.

The giant arc is the stretched shape of a more distant star-forming galaxy whose light is distorted by the monster cluster's powerful gravity, an effect called gravitational lensing. The "lensed" galaxy existed 10 billion to 13 billion years ago.

The arc, located within the small box, is barely visible in the Hubble image of the cluster, named IDCS J1426.5+3508. A close-up image of the arc is shown in the inset. The images were taken by Hubble's Advanced Camera for Surveys and Wide Field Camera 3 in 2010.

The cluster is the most massive found at that epoch, weighing as much as 500 trillion suns. The assemblage is 5 to 10 times larger than other clusters found at such an early time in the universe's history. This unique system constitutes the most distant cluster known to "host" a giant gravitationally lensed arc.

Object Name: IDCS J1426.5+3508

Image Type: Astronomical/Illustration

 

 

The full news release story:

Seeing is believing, except when you don't believe what you see.

Astronomers using NASA's Hubble Space Telescope have found a puzzling arc of light behind an extremely massive cluster of galaxies residing 10 billion light-years away. The galactic grouping, discovered by NASA's Spitzer Space Telescope, was observed when the universe was roughly a quarter of its current age of 13.7 billion years. The giant arc is the stretched shape of a more distant galaxy whose light is distorted by the monster cluster's powerful gravity, an effect called gravitational lensing.

The trouble is, the arc shouldn't exist.

"When I first saw it, I kept staring at it, thinking it would go away," said study leader Anthony Gonzalez of the University of Florida in Gainesville. "According to a statistical analysis, arcs should be extremely rare at that distance. At that early epoch, the expectation is that there are not enough galaxies behind the cluster bright enough to be seen, even if they were 'lensed' or distorted by the cluster. The other problem is that galaxy clusters become less massive the farther back in time you go. So it's more difficult to find a cluster with enough mass to be a good lens for gravitationally bending the light from a distant galaxy."

Galaxy clusters are collections of hundreds to thousands of galaxies bound together by gravity. They are the most massive structures in our universe. Astronomers frequently study galaxy clusters to look for faraway, magnified galaxies behind them that would otherwise be too dim to see with telescopes. Many such gravitationally lensed galaxies have been found behind galaxy clusters closer to Earth.

The surprise in this Hubble observation is spotting a galaxy lensed by an extremely distant cluster. Dubbed IDCS J1426.5+3508, the cluster is the most massive found at that epoch, weighing as much as 500 trillion suns. It is 5 to 10 times larger than other clusters found at such an early time in the universe's history. The team spotted the cluster in a search using NASA's Spitzer Space Telescope in combination with archival optical images taken as part of the National Optical Astronomy Observatory's Deep Wide Field Survey at the Kitt Peak National Observatory, Tucson, Ariz. The combined images allowed them to see the cluster as a grouping of very red galaxies, indicating they are far away.

This unique system constitutes the most distant cluster known to "host" a giant gravitationally lensed arc. Finding this ancient gravitational arc may yield insight into how, during the first moments after the big bang, conditions were set up for the growth of hefty clusters in the early universe.

The arc was spotted in optical images of the cluster taken in 2010 by Hubble's Advanced Camera for Surveys. The infrared capabilities of Hubble's Wide Field Camera 3 (WFC3) helped provide a precise distance, confirming it to be one of the farthest clusters yet discovered.

Once the astronomers determined the cluster's distance, they used Hubble, the Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy (CARMA) radio telescope, and NASA's Chandra X-ray Observatory to independently show that the galactic grouping is extremely massive.

CARMA helped the astronomers determine the cluster's mass by measuring how primordial light from the big bang was affected as it passed through the extremely hot, tenuous gas that permeates the grouping. The astronomers then used the WFC3 observations to map the cluster's mass by calculating how much cluster mass was needed to produce the gravitational arc. Chandra data, which revealed the cluster's brightness in X-rays, was also used to measure the cluster's mass.

"The chance of finding such a gigantic cluster so early in the universe was less than one percent in the small area we surveyed," said team member Mark Brodwin of the University of Missouri-Kansas City. "It shares an evolutionary path with some of the most massive clusters we see today, including the Coma Cluster and the recently discovered El Gordo Cluster."

An analysis of the arc revealed that the lensed object is a star-forming galaxy that existed 10 billion to 13 billion years ago. The team hopes to use Hubble again to obtain a more accurate distance to the lensed galaxy.

Gonzalez has considered several possible explanations for the arc.

One explanation is that distant galaxy clusters, unlike nearby clusters, have denser concentrations of galaxies at their cores, making them better magnifying glasses. However, even if the distant cores were denser, the added bulk still should not provide enough gravitational muscle to produce the giant arc seen in Gonzalez's observations, according to a statistical analysis.

Another possibility is that the initial microscopic fluctuations in matter made right after the big bang were different from those predicted by standard cosmological simulations, and therefore produced more massive clusters than expected.

"I'm not yet convinced by any of these explanations," Gonzalez said. "After all, we have found only one example. We really need to study more extremely massive galaxy clusters that existed between 8 billion and 10 billion years ago to see how many more gravitationally lensed objects we can find."

The team's results are described in three papers, which will appear online today and will be published in the July 10, 2012, issue of The Astrophysical Journal. Gonzalez is the first author on one of the papers; Brodwin, on another; and Adam Stanford of the University of California at Davis, on the third.

 

CONTACT

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

Anthony Gonzalez
University of Florida, Gainesville, Fla.
352-392-2052 x233
anthony@astro.ufl.edu