유령은하의 정체를 밝히다.

사진 1> 천문학자들이 허블우주망원경을 이용하여, 별들이 거의 존재하지 않는 희미한 왜소은하 Leo IV의 정체를 확인하였다.

           허블 우주망원경이 촬영한 이 사진은 왜 천문학자들이 이 볼품없는 은하를 식별해내는데, 그토록 많은 시간이 소비되었는지를 보여준다. 

           가장 왼쪽의 사진은 우리 은하의 일부를 촬영한 것으로 직사각형의 하얀 박스가 그려져 있다.

           이 박스가 담고 있는 공간은 가로 83광년 세로 163광년이다.

           Leo IV의 얼마되지 않는 별들이 이웃 별들과 배경을 이루는 은하들 사이에 숨어있다.

 
           가운데 사진은 이 네모 박스 안에서 배경을 이루는 은하를 확대하여 보여주고 있다.

           그리고 가장 오른쪽 박스는 같은 지역에서 Leo IV의 별들만을 추려낸 것이다.

 

           이 은하에는 몇 천개 수준의 별들만이 포함되어 있는데, 일부는 우리 태양과 같은 별들이고, 일부는 훨씬 희미하며,
           적색 왜성으로 남아 있는 별들과 일부 우리 태양보다 훨씬 밝게 빛나는 적색 거성도 존재하고 있다.

 

           천문학자들은 Sloan Digital Sky Survey(이하 SDSS)를 통해 촬영된 사진에서
           별들이 주변보다 훨씬 근거리에서 뒤죽박죽 섞여있는 뭉치들을 솎아내는 와중에 이 은하를 발견하게 되었다.

           Leo IV는 지구로부터 50만광년 거리에 위치하며

          우리 은하 주위에서 발견된 10여개 이상의  '매우 희미한 왜소은하들'(ultra-faint dwarf galaxies) 가운데 하나이다. 

          이 은하들은 우리 우주의 질량의 상당부분을 차지하면서 눈에는 보이지 않는 암흑물질에 의해 점유되어있다.

 

          천문학자들은 허블 우주망원경을 사용하여 Leo IV에 존재하는 별들과 다른 매우 희미한 왜소은하의 별들의 나이를 측정하였다.

          측정결과 이 세개의 은하에 존재하는 모든 별들의 나이는 130억살을 초과하였으며 이는 우주의 나이 137억년에 거의 육박하는 수준이었다.  
 
          이 은하들에서 발견된 별들의 나이가 매우 오래되었고 동이한 나이대였기 때문에
          천문학자들은 이들이 우주 전역에 걸친 사건, 즉, 재이온화와 같은 사건에 의해 한꺼번에 별의 생성이 중단되었다는 시나리오를 제안하고 있다.

          재이온화는 초기 우주에서 첫번재로 탄생한 별들이 차가운 수소안개를 태워버리던 당시의 과도기를 말한다. 
 
          이 사진은 2012년 1월 허블 ACS의 노출조합을 통해 만들어진 것이다.

The full news release story:
천문학자들은 우리 은하의 주변에서 발견되는 왜소하고, 대단히 희미한 난쟁이 은하들은 왜 그다지도 얼마 안되는 별만을 가지고 있는지를 고민해왔다.  
 이들 유령과 같은 은하들은 우주에서 가장 작고 오래됐으며 가장 원시적인 모습을 간직한 은하들로 간주되어 왔다.

 

천문학자들은 지난 10여년 동안  SDSS에 의해 촬영된 이미지를 통해 자동화된 컴퓨터 기술을 사용하여 이와 같은 천체를 탐색해왔다.

그러나 천문학자들은 NASA 허블 우주망원경을 통해 너무나도 빈약하게 별을 소유하고 있는 이 은하들의 미스테리를 밝힐 수 있기를 희망하고 있다.

허블이 이와 같이 볼품없는 은하 3개를 탐색한 결과 알아낸 것은 이 은하의 별들이 동일한 출생일을 공유하고 있다는 것이었다.

이 은하들의 별들은 약 130억년 전, 즉 빅뱅을 통해 우주가 생겨나고 첫 번째 10억년 상관에 생성되기 시작했고,

그리고 일시에, 갑작스럽게 별의 생성이 중단되었던 것이다.

이렇게 유골처럼 남게된 은하들은 소규모의 은하들에서 새로운 별들을 만들어내던 공장이 갑작스레 폐쇄되었다는 것을 보여주면서

초기 우주의 과도기를 보여주는 증거가 되고 있다. 

 

사진 2>  이 사진은 우리 은하의 지근거리에 있는 매우 희미한 왜소은하 Leo IV를 보여주고 있다.
            점선은 은하의 경계를 나타내는데 대략 1100광년 정도이다. 네모난 박스는 허블 우주망원경이 관측한 지역이다. 
            Leo IV가 가지고 있는 별들이 얼마되지 않다보니 천문학자들은 이 은하의 정체를 알아내는데 어려움을 겪어왔다.

            허블 우주망원경이 담고 있는 네모박스의 폭의 483광년이다.

 

이 시기에 첫 번째 태어난 별들은 차가운 수소 구름을 '재이온화'[라 불리는 과정을 통해서 모두 태워버렸다. 
 
이번 연구의 책임자인 우주망원경과학 연구소의 톰 브라운(Tom Brown)의 설명은 다음과 같다.
"이 은하들은 모두 같은 시기의 고대에 존재하고 있었는데 뭔가 한 번의 사건을 겪게 되었고 이로인해 동시에 새로운 별들의 생성이 중지되었습니다.
 이와 같은 사건을 가장 잘 설명해 줄 수 있는 것은 재이온화일 것으로 보입니다."
 
우주에서 재 이온화는 빅뱅 이후 첫 10억년의 기간에 시작되었다.

이 시기에 첫 세대의 별들로부터 발생한 복사열이 원시수소원자로부터 전자를 분리시켜내면서 차가운 수소 가스의 이온화를 가져왔다.

이러한 과정은 수소가스가 자외선을 투과시킬 수 있게 해주었다. 
 
역설적이게도 동일한 복사열이 우주의 재이온화를 촉발시키는 한편, 브라운의 연구에서와 같이 

왜소은하에서 별들을 생성시키는 활동을 억누르는 결과를 가져왔다.

재이온화가 시작되기 약 1억년 전에 발생한 소규모 불규칙은하들은 이제 막 대량의 별들을 생성시키기 시작했던 때였다.

약 2천광년 정도 너비의 이 은하들은 우리 은하 근처에서 새로운 별들을 만들어내면서 빛나고 있는 왜소은하들보다는 적은 규모를 가진

사촌은하들이라 할 수 있는 천체들이었다.

상대적으로 자신들보다 규모가 더 큰 은하들과는 달리, 이들 작은 은하들은 거친 자외선 빛으로부터 자신들 스스로를 보호할 질량을 가지고 있지 못했다.

따라서 자신을 관통하는 자외선의 홍수에 의해 그나마 가지고 있었던 가스들도 모두 벗겨져 나가게 되었다.

이렇게 가스의 공급이 감쇄되면서 이 은하들은 더 이상 새로운 별들을 만들 수 없게 되었다는 것이다. 
 
이번 발견은, 컴퓨터 시뮬레이션 결과는 우리 은하 주변에 수천개의 왜소은하들이 존재할 것으로 예측하고 있음에도
실제 관측에서는 겨우 수십개 정도의 왜소은하밖에 발견되지 않는 이른바 "잃어버린 위성은하 문제(missing satellite problem)"를 설명해 줄 수 있을 것이다.

 

이 문제에 대한 한가지 가설은 이들 왜소은하들에서 거의 별들이 생성되지 않았거나 심지어는 아예 별들이 생성되지 않으면서
위성은하들을 탐지해내기가 어렵다고 말하고 있다.  

최근 하늘의 25%를 스캔한  SDSS 결과는 우리 은하 주변에서 이처럼 별들을 거의 갖고있지 않은 은하가 10여개 이상 존재하고 있음을 밝혀주었다.

천문학자들은 나머지 하늘에서 이와 같은 '매우 희미한 왜소은하(ultra-faint dwarf galaxies)'라고 명명된 천체들이

수십개 이상 더 발견될 것이라고 생각하고 있다.

이처럼 작은 규모의 은하들에서 새로운 별들의 생성이 억제되고 있다는 것은
기본적으로 새로운 별들이 전혀 생성되지 않는 천체가 아마도 수천개 더 존재하고 있을 것이라는 가능성을 제시한다.
 

이번 연구의 일원인 우주망원경과학 연구소의 제이슨 텀린슨(Jason Tumlinson)은 다음과 같이 말하고 있다.
"지금까지 관측된 왜소은하에서 별의 생성 역사를 측정함으로써,
 매우 작은 군집체 내에서 새로운 별의 생성은 재이온화에 의해 일시에 차단되었다는 초기의 이론적 예측을 

 허블우주망원경이 확정시켜 주었다고 생각합니다. "
 
브라운의 연구결과는 7월 1일 Astrophysical Journal에 발표되었다. 
 

브라운은 이 은하들을 다음과 같이 평가하고 있다.
"이들은 우리 우주에서 초기 은하의 화석입니다.  이들은 수십억년동안 전혀 변화를 겪지 않았죠.

 이 은하들은 우리 주변의 다른 은하들이 기나긴 시간동안 새로운 별들을 만들어온 역사와는 전혀 다른 길을 걷고 있는 것입니다."

이 화석은하를 구성하고 있는 별들의 숫자는 백여개 수준에서 천여개 수준 정도이며,

별들의 밝기는 우리태양보다 희미하거나 더 밝은 양 측면을 모두 보여주고 있다.  

 

은하에 별들이 빈약하게 존재하고 있다지만 풍부한 암흑물질이 이들을 은하라는 형태를 유지시켜 주는 것이다.

우리 은하 주변의 일반적인 왜소은하들은 가스나 별들과 같은 일반 물질에 비해 10배 정도의 암흑물질들을 보유하고 있다.

하지만 '매우 희미한 왜소은하들'에서 암흑물질은 일반 물질의 최소 100배를 초과하고 있다.

브라운은 자신의 연구를 통해 이 왜소한 은하들은 수소 가스가 이온화 되고 별들이 모두 사그러들었기 때문에

대부분 암흑물질로 구성되어 있다는 것을 알게 됐다고 설명했다.  

 

이들 대부분의 암흑물질의 섬들은 우리 은하와 수십억년동안 눈에보이지 않는채로 공생해왔으며
최근 SDSS를 통해 천문학자들에게 그 존재를 알리기 시작한 것이다.

 

사진 3> 컴퓨터 시뮬레이션을 담은 이 삽화는 우리은하 주위의 암흑물질 분포를 보여주고 있다.

            어떤 지역에서 암흑물질의 집중은 새로운 별의 탄생을 촉발시키기에 충분한 질량을 가지고 있다.

            암흑물질은 우리 우주 질량의 거의 대부분을 차지하는 눈에 보이지 않는 물질이다. 
 
            첫번째 삽화에서는 중앙에 보이는 우리은하 주변에 공생하는 수천개의 암흑물질 덩어리를 보여주고 있다. 

            두번째 삽화에서 초록색 거품은 암흑물질이 몰려 성간 매질로부터 충분히 가스를 끌어들일만한 질량이 모인 곳으로
            이것이 새로운 별의 탄생을 촉발시켜 결국 왜소은하의 탄생이 가능했던 지역을 표시하고 있다.

 

            세번째 삽화에서 붉은 거품은 별의 탄생이 오래전에 중지된 매우 희미한 왜소은하를 나타낸다.

            허블 우주망원경이 세 개의 왜소은하를 관측한 결과 이들 희미한 은하들에서는 약 130억년 전에 새로운 별의 탄생이 중지되었음을 알 수 있었다. 
 
            이처럼 별의 생성 중지가 동시에 나타났다는 사실은 당시  우주 전역에 걸쳐 초기 우주를 휩쓸고 지나간, 재이온화와 같은 사건이 있었음을 의미한다.

            재이온화는 초기 우주에서 첫번재로 탄생한 별들이 차가운 수소안개를 태워버리던 당시의 과도기를 말한다. 
            가장 대중적으로 받아들여지는 이론은 우리 은하의 위성은하들은 적은 별들만을 가지고 있으며

            그 대신에 암흑물질을 주로 보유하고 있다고 예견하고 있다.

 

 

이들 왜소은하들이 드러나기 시작했을 때, 천문학자들은 왜 이 별들이 짧은 생을 살다갔는지에 대한 가설을 제안하기 시작했다.

어떤 이들은 초신성 폭발과 같은 내부의 역동적인 사건들이 새로운 별들을 만드는데 필요한 가스들을 날려버렸다고 생각했고,

또 어떤 이들은 이 은하들이 단순히 소요되기에는 너무나 적은 가스를 가지고 있다고 생각했다.

그리고 아주 소수의 사람들이 이 은하들은 우주 생성 초기에 만들어졌고 재이온화에 의해 별의 생성이 중지됐다고 생각했다.  
 
그 후 지상에 위치한 천체관측기구를 통해 아주 오래전 만들어진 별들을 품은 것으로 언뜻 보이는 두 개의 은하가 새로 발견되었다.

그래서 브라운은 허블 ACS를 활용하여 여섯개의 은하 내부를 관측하기로 결정하였고
그 별들을 연구한 결과 이들이 언제 탄생된 별인지를 결정하게 된 것이다.

지금까지 브라운과 그의 동료들은 헤르쿨레스(Hercules), Leo IV, 큰콤(Ursa Major)으로 명명된 세 개의 은하에 대하여

허블이 확보한 데이터의 분석을 끝마쳤다.

이 은하들이 지구로부터 떨어져있는 거리 범주는 33만 광년에서 49만 광년 범위이다. 

분석 과정에 대한 브라운의 소감은 다음과 같다.
"이전에 천문학자들은 몇몇 은하들은 반드시 아주 오래전에 존재하고 있었을 거라고 말했고
 어떤 이들은 이 은하들을 연구하면서 어린 별들을 찾기가 너무 어렵다는 점을 알고 있었죠.
 우리 중 일부는 이 은하들에서 어린 별들을 찾아내어 이 은하들이 초기 우주의 유물이 아니라는 점을 증명하고 싶어했지만
 모든 별들이 아주 고대에 만들어졌다는 사실을 알고는 놀랄 수밖에 없었습니다."
 
브라운은 이 별들의 연령을 이 별들의 밝기와 색체를 분석하여 측정하였다.

참고로, 브라운은 이 은하의 별들을 2만 6천광년 떨어진 고대의 구상성단인 M92의 별들과 비교하였다.

M92의 나이는 130억년 이상이며, 우주에서 가장 오래된 천체들 중 하나이다.

분석 결과 이 은하들의 별들은 M92만큼이나 오래되었음이 밝혀졌다.  
 

브라운의 소감은 다음과 같다.

"매우 희미한 왜소은하에서 별은 정말 희박하게 존재합니다. 

 이것이 왜 아무도 허블 우주망원경으로 이들을 추적하지 못했던가에 대한 한 대답중 하나일 것입니다.
 그러나 우리는 이 천체들이 허블의 천체연령측정능력을 향상시켜줄 수 있다는 점에서 허블에게는 매우 이상적인 타깃이라고 생각합니다.
 당신이 허블이 촬영한 사진을 보면 거의 별이 보이지 않는다는 것을 알 수 있습니다.
 그러나 바로 이러한 사실이 이들 은하들의 연령에 대한 충분한 정보를 우리에게 제공해 준 것입니다."
 
브라운이 이끄는 연구팀의 구성은 아래와 같다.
J. Tumlinson (STScI), M. Geha (Yale University), E.N. Kirby (California Institute of Technology),
D.A. VandenBerg (University of Victoria), R.R. Munoz (Universidad de Chile), J.S. Kalirai (STScI),
J.D. Simon (Observatories of the Carnegie Institute of Washington),  R.J. Avila (STScI),
P. Guhathakurta (UCO/Lick Observatory), A. Renzini (Osservatorio Astronomico), H.C. Ferguson (STScI).

 

 

 

                                    동영상 >  이 동영상은 우리 은하의 헤일로에 존재하는 희미한 왜소은하 Leo IV에서의 별의 진화를 보여주고 있다.
                                                  허블 우주망원경은 Leo IV와 '매우 희미한 왜소 은하'로 불리고 있는

                                                  유사한 두 개의 은하를 더 관측하여 이들의 나이를 측정하였다.

                                                  허블 관측 결과 이 세 개의 은하의 나이는 모두 130억살을 초과하였으며 이는

                                                  우주의 나이 137억년에 거의 육박하는 수준이었다.  
 
                                                  동영상은 허블이 이 은하들이 위치하고 있는 지역을 촬영한 장면부터 시작된다.

                                                  그리고 은하의 별들을 동일 색상끼리 묶어 배치하고 있다.

                                                  그리고 나서 이 별들을 가로로는 별들의 색깔과 온도, 세로로는 밝기 관계를 '주계열'상의 진화관계로 표시한
                                                  헤르츠스프룽-러셀도(H-R Diagram)상에 나열하고 있다.

                                                  주계열의 별들은 안정적인 생명주기를 따라가고 있는 상태의 별들이다.

 

                                                  이 다이어그램에서 이들 은하의 주계열상의 별들은 우리 태양과 비슷하거나 적은 질량을 가진다.
                                                  그리고 그래프에서 은하가 생성되고 나서 10억년 후 별들의 분포가 어떠했을지를 보여주고 있다.

                                                  무거운 질량의 뜨거운 청색 별들이 주계열상의 상단을 차지하고 있다.

                                                  수십억년의 세월을 단 몇초 분량으로 압축한 이 동영상을 통해 훨신 더 거대한 질량의 별들이
                                                  훨씬더 빨리 진화하고 있음을 알 수 있다.

                                                  이들은 적색 거성(상단 우측)으로 변화하면서 주계열을 벗어나게 된다.

                                                  이들이 자리를 비운 뒤로 더 낮은 온도의 덜 무거운 질량의 별들이  수십억년에 걸쳐

                                                  좀더 천천히 진화하는 양상을 보여주고 있다.

 

                                                   Leo IV와 다른 두 개의 '매우 희미한 왜소은하'들을 분석한 결과
                                                   천문학자들은 재이온화로 불리는 우주전역에 걸친 사건이

                                                  130억년 전 한꺼번에 새로운 별의 생성을 차단시켰다고 제안했다.

* '허블사이트'폴더에는 허블공식사이트(http://hubblesite.org) 의 뉴스센터 자료를 번역,게시하고 있습니다.
   본 내용은 2012년 7월 10일 발표된 뉴스입니다.

 

원문>

 

사진1>

ABOUT THIS IMAGE:

Astronomers used the Hubble Space Telescope to unmask the dim, star-starved dwarf galaxy Leo IV. These Hubble images demonstrate why astronomers had a tough time spotting this small-fry galaxy.

The image at left shows part of the galaxy, outlined by the white rectangular box. The box measures 83 light-years wide by 163 light-years long. The few stars in Leo IV are lost amid neighboring stars and distant galaxies.

A close-up view of the background galaxies within the box is shown in the middle image. The image at right shows only the stars in Leo IV. The galaxy, which contains several thousand stars, is composed of Sun-like stars, fainter, red dwarf stars, and some red giant stars brighter than the Sun. Astronomers discovered Leo IV in Sloan Digital Sky Survey images by spotting a region where a clump of stars was huddled closer together than stars in areas around it.

Residing 500,000 light-years from Earth, Leo IV is one of more than a dozen ultra-faint dwarf galaxies found lurking around our Milky Way galaxy. These galaxies are dominated by dark matter, an invisible substance that makes up the bulk of the universe's mass.

Astronomers used Hubble to measure the ages of the stars in Leo IV and two other ultra-faint dwarf galaxies. The measurements revealed that the stars in all three galaxies are more than 13 billion years old, almost as old as the 13.7-billion-year-old universe. Because the stars in these galaxies are so ancient and share the same age, astronomers suggest that a global event, such as reionization, shut down star formation in them. Reionization is a transitional phase in the early universe when the first stars burned off a fog of cold hydrogen.

The Hubble image is a composite of exposures taken in January 2012 by the Advanced Camera for Surveys.

Object Name: Leo IV

Image Type: Astronomical/Annotated

 

Credit: NASA, ESA, and T. Brown (STScI)

 

 

The full news release story:

Astronomers have puzzled over why some puny, extremely faint dwarf galaxies spotted in our Milky Way galaxy's back yard contain so few stars.

These ghost-like galaxies are thought to be some of the tiniest, oldest, and most pristine galaxies in the universe. They have been discovered over the past decade by astronomers using automated computer techniques to search through the images of the Sloan Digital Sky Survey. But astronomers needed NASA's Hubble Space Telescope to help solve the mystery of these star-starved galaxies.

Hubble views of three of the small-fry galaxies reveal that their stars share the same birth date. The galaxies all started forming stars more than 13 billion years ago — and then abruptly stopped — all in the first billion years after the universe was born in the big bang.

The relic galaxies are evidence for a transitional phase in the early universe that shut down star-making factories in tiny galaxies. During this time, the first stars burned off a fog of cold hydrogen in a process called reionization.

"These galaxies are all ancient and they're all the same age, so you know something came down like a guillotine and turned off the star formation at the same time in these galaxies," said Tom Brown of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Md., the study's leader. "The most likely explanation is reionization."

The reionization of the universe began in the first billion years after the big bang. During this epoch, radiation from the first stars knocked electrons off primeval hydrogen atoms, ionizing the cool hydrogen gas. This process allowed the hydrogen gas to become transparent to ultraviolet light.

Ironically, the same radiation that sparked universal reionization appears to have squelched star-making activities in dwarf galaxies, such as those in Brown's study. The small irregular galaxies were born about 100 million years before reionization began and had just started to churn out stars. Roughly 2,000 light-years wide, the galaxies are the smaller cousins of the more luminous star-making dwarf galaxies near our Milky Way. Unlike their larger relatives, the puny galaxies were not massive enough to shield themselves from the harsh ultraviolet light. What little gas they had was stripped away as the flood of ultraviolet light rushed through them. Their gas supply depleted, the galaxies could not make new stars.

The discovery could help explain the so-called "missing satellite problem," where only a few dozen dwarf galaxies have been observed around the Milky Way while computer simulations predict that thousands should exist. one possible explanation is that there has been very little, or even no star formation in the smallest of these dwarf galaxies, making them difficult to detect.

The Sloan survey recently uncovered more than a dozen of these star-starved galaxies in our Milky Way's neighborhood while scanning just a quarter of the sky. Astronomers think the rest of the sky should contain dozens more of these objects, dubbed ultra-faint dwarf galaxies. The evidence for squelched star formation in some of the smallest of these dwarfs suggests that there may be thousands more where essentially no stars formed at all.

"By measuring the star formation histories of the observed dwarfs, Hubble has confirmed earlier theoretical predictions that star formation in the smallest clumps would be shut down by reionization," said Jason Tumlinson of the Space Telescope Science Institute, a member of the research team.

Brown's results appeared in the July 1 issue of The Astrophysical Journal Letters.

"These are the fossils of the earliest galaxies in the universe," Brown said. "They haven't changed in billions of years. These galaxies are unlike most nearby galaxies, which have long star-formation histories."

The stellar populations in these fossil galaxies range from a few hundred to a few thousand stars both fainter and brighter than our Sun. The galaxies may be star-deprived, but they have an abundance of dark matter, the underlying scaffolding upon which galaxies are built.

Normal dwarf galaxies near the Milky Way contain 10 times more dark matter than the ordinary matter that makes up gas and stars. In ultra-faint dwarf galaxies, dark matter outweighs ordinary matter by at least a factor of 100. "The small galaxies in our study are made up mostly of dark matter because their hydrogen gas was ionized and the stars got turned off," Brown explained.

These mostly dark-matter islands coexisted unseen with our Milky Way for billions of years, until astronomers began finding them in the Sloan survey.

When these galaxies were uncovered, astronomers began proposing many reasons for their shortage of stars. Some believed that internal dynamics, such as a supernova blast, blew out the gas needed to create more stars. Others suggested that the galaxies simply used up what little gas they had. And a few thought that the galaxies were born during the early universe and reionization had turned off their star formation.

Then, ground-based observations of two of the newly discovered galaxies revealed tantalizing evidence that the stars were indeed ancient. So Brown decided to use Hubble's Advanced Camera for Surveys to look deep inside six of the galaxies to study the population of stars and determine when they were born. So far, Brown and his team have finished analyzing the Hubble data of three of the galaxies, named Hercules, Leo IV, and Ursa Major. The galaxies' distance from Earth ranges from 330,000 light-years to 490,000 light-years.

"Astronomers have said before that certain galaxies should be ancient, and then someone studies them hard enough and finds younger stars," Brown said. "Some of us expected to uncover younger stars and prove that the galaxies are not relics from the early universe. We were surprised to find that all the stars were ancient."

Brown measured the stars' ages by analyzing their brightness and colors. For reference, Brown compared the galaxies' stars with the stars in the ancient globular cluster M92, located 26,000 light-years away. M92 is more than 13 billion years old, one of the oldest objects in the universe. The analysis revealed that the galaxies' stars are as old as those in M92.

"The stars in the ultra-faint dwarf galaxies are very sparse," Brown said. "This is one reason why no one went after them with Hubble. However, we thought they were good targets for Hubble, given Hubble's ability to measure precise ages. You look at the Hubble images and there are almost no stars, but the ones we have are enough to give us the ages of these galaxies."

The science team that did the investigation is led by Principal Investigator T.M. Brown (STScI) and further consists of J. Tumlinson (STScI), M. Geha (Yale University), E.N. Kirby (California Institute of Technology), D.A. VandenBerg (University of Victoria), R.R. Munoz (Universidad de Chile), J.S. Kalirai (STScI), J.D. Simon (Observatories of the Carnegie Institute of Washington), R.J. Avila (STScI), P. Guhathakurta (UCO/Lick Observatory), A. Renzini (Osservatorio Astronomico), and H.C. Ferguson (STScI).

CONTACT

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

Tom Brown
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4902
tbrown@stsci.edu

 

사진 2>

ABOUT THIS IMAGE:

These images reveal the small and faint star-starved dwarf galaxy Leo IV, a close neighbor of our Milky Way galaxy.

Leo IV is one of more than a dozen ultra-faint dwarf galaxies found lurking around the Milky Way. These galaxies are dominated by dark matter, an invisible substance that makes up the bulk of the universe's mass.

The wide image, taken by the Sloan Digital Sky Survey, is a view of Leo IV and the surrounding neighborhood. The galaxy resides 500,000 light-years from Earth. The dotted line marks the galaxy's boundaries, measuring about 1,100 light-years wide. The small white box outlines the Hubble Space Telescope's view.

Leo IV has so few stars, roughly several thousand, that astronomers had difficulty identifying it as a galaxy. Astronomers discovered Leo IV in Sloan Digital Sky Survey images by spotting a region where a clump of stars was huddled closer together than stars in areas around it. The dwarf galaxy is composed of Sun-like stars, fainter red dwarf stars, and some red giant stars brighter than the Sun.

Hubble's close-up view is shown in the inset at right, measuring 483 light-years wide. Astronomers used Hubble to measure the ages of the stars in Leo IV and two other ultra-faint dwarf galaxies. The measurements revealed that the stars in all three galaxies are more than 13 billion years old, almost as old as the 13.7-billion-year-old universe. Because the stars in these galaxies are so ancient and share the same age, astronomers suggest that a global event, such as reionization, shut down star formation in them. Reionization is a transitional phase in the early universe when the first stars burned off a fog of cold hydrogen.

The Hubble image is a composite of exposures taken in January 2012 by the Advanced Camera for Surveys.

Object Name: Leo IV

Image Type: Astronomical/Illustration

 

Credit: NASA, ESA, and T. Brown (STScI)

 

그림 3>

ABOUT THIS IMAGE:

These illustrations, taken from computer simulations, show a swarm of dark matter clumps around our Milky Way galaxy. Some of the dark-matter concentrations are massive enough to spark star formation. Dark matter is an invisible substance that accounts for most of the universe's mass.

In the first panel, thousands of clumps of dark matter coexist with our Milky Way galaxy, shown in the center.

The green blobs in the second panel are those dark-matter chunks massive enough to obtain gas from the intergalactic medium and trigger ongoing star formation, eventually creating dwarf galaxies.

In the third panel, the red blobs are ultra-faint dwarf galaxies that stopped forming stars long ago. New Hubble Space Telescope observations of three of the puny galaxies reveal that star-making in these faint galaxies shut down more than 13 billion years ago.

The synchronized shutdown is evidence that a global event, such as reionization, swept through the early universe. Reionization is a transitional phase in the early universe when the first stars burned off a fog of cold hydrogen.

Popular theory predicts that most of the Milky Way's satellites contain few, if any, stars and are instead dominated by dark matter. More than a dozen small-fry galaxies have been found so far, all by the Sloan Digital Sky Survey, which scanned just a quarter of the sky.

Object Name: Milky Way

Image Type: Illustration

 

Credit: NASA, ESA, and T. Brown and J. Tumlinson (STScI)

 

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This movie shows the evolution of the stars in Leo IV, a dim dwarf galaxy in the halo of our Milky Way galaxy.

The Hubble Space Telescope measured the ages of these faint stars in Leo IV and two other similar galaxies, dubbed ultra-faint dwarf galaxies. The Hubble observations revealed that the stars in all three galaxies are more than 13 billion years old, almost as old as the 13.7-billion-year-old universe.

The movie begins with Hubble's image of the region in which the galaxy resides. The video then morphs into a view of the colors of the galaxy's stars. The stars are next shown on the Hertzsprung-Russell (H-R) diagram, which traces the types and evolution of "main-sequence" stars by showing the relationship between a star's color, based on its temperature, (horizontal scale) and its intrinsic brightness (vertical scale). Main-sequence stars are in the stable, middle phase of their development. In this diagram, the galaxy's main-sequence stars are the same mass as our Sun or smaller.

The graph then reveals how the stellar distribution would look 1 billion years after the galaxy formed. Massive and hot, blue stars fill in the upper part of the main sequence. The animation compresses billions of years into just a few seconds, showing that over time the more massive stars evolve faster. They leave the main sequence to become red giant stars (upper right). Their departure leaves behind the cooler, lower-mass stars that evolve more slowly over many billions of years.

Based on the analysis of Leo IV and the two other ultra-faint dwarf galaxies in the survey, astronomers suggest that a global event, called reionization, shut down star formation in them simultaneously more than 13 billion years ago. Reionization is a transitional phase in the early universe when the first stars burned off a fog of cold hydrogen.

Leo IV is one of at least a dozen ultra-faint dwarf galaxies near our Milky Way.

Credit: NASA, ESA, and T. Brown and G. Bacon (STScI)