MACS0647-JD : 가장 멀리 떨어진 은하의 기록 경신

 

 

사진1>  이 사진은 천문학자들이 NASA의 허블 우주망원경과 중력렌즈효과를 이용하여 가장 멀리 존재하는 은하를 찾아낸 사진이다. 

이번에 새로 발견된 은하의 이름은  MACS0647-JD 로 명명되었다.

이 은하는 우리 은하의 한 조각 정도에 지나지 않는 매우 작은 크기의 이제 갓 만들어진 은하이다. 

이 천체는 빅뱅이 발생하고 4억 2천만 년이 지난 지점에서 관측되었으며 이는 137억살의 우주의 나이의 고작 3퍼센트에 지나지 않는 시대이다. 

천문학자들은 '중력렌즈'효과라 부르는, 무거운 MACS J0647+7015 은하단의 질량이 멀리 떨어진 뒷편의 은하로부터 출발한 빛을 확대시키는  효과를 이용하였다. 

중심 부근에 몰려 있는 노란색 천체들이 이 은하단을 구성하고 있는 은하들이다. 

이 은하단의 중력렌즈 효과 덕분에 천문학자들은 허블우주망원경을 이용하여 MACS0647-JD의 모습이 확대된 세 개의 사진을 얻을 수 있었다. 

은하단의 중력이 이처럼 먼 거리의 존재하는 빛을 거의 7~8배 정도로 확대시키고, 밝기도 원래의 밝기보다 두 배 정도 강화시키면서 천문학자들이 확신을 가지고 이 먼거리의 천체를 보다 효과적으로 관측할 수 있게 해 준것이다. 

은하단이 만들어주는 이와 같은 확대 효과가 없었다면 천문학자들은 이처럼 멀리 떨어진 은하를 볼 수 없었을 것이다. 

이 세 개의 사진을 확대한 사진이 왼쪽 상자에 각각 나타나 있다. 

이번 발견은 우주가 제공하는 확대렌즈 효과를 이용하여 초기 우주의 은하를 탐사하는대규모 프로그램인 CLASH 프로그램에 의해  가장 최근에 이루어진 발견이다.

이 사진은 허블 WFC3와 ACS가 촬영한 사진을 합성한 것이며, 2011년 10월 5일과 11월 29일에 촬영되었다. 

 

 

The Full News Release Story

 

NASA의 허블 우주망원경과 스피처 우주망원경이 협동하여, 그리고 여기에 우주가 제공해 주는 확대렌즈 효과를 이용하여 

천문학자들은 지금까지 우주공간에서 발견된 가장 먼 은하의 거리를 경신하였다. 

 

우리 은하와 비교했을 때 한 조간 파편에 지나지 않을 아주 작은 거품덩어리가 137억 살에 달하는 우리 우주가 채 3퍼센트 정도의 시간 밖에 지나지 않았을 때로 우리를 안내해 주고 있다. 

 

MACS0647-JD 라고 명명된 이번에 새로 발견된 은하는 빅뱅 이후 고작 4억 2천만년 후에 생겨난 은하이다. 

이 은하로부터 발생한 빛이 무려 133억년을 날아서 지구에 다다른 것이다. 

이번 발견은 우주가 제공하는 확대렌즈 효과를 이용하여 초기 우주의 은하를 탐사하는 대규모 탐사프로그램에서 가장 최근에 이루어진 발견이다. 

 

허블을 이용한 은하단 렌즈효과와 초신성 탐사(The Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble, 이하 CLASH) 프로그램은, 거대 질량의 은하단을 중력렌즈라 부르는 효과를 통해, 뒤편에 존재하는 훨씬 멀리 떨어져 있는 은하를 확대해서 보여주는 우주의 망원경으로 활용하고 있다. 

 

빛의 도달 경로를 따라가보면, 이 은하의 빛은 자신의 은하를 출발한지 80억년이 지난 후에 거대 질량의 은하단인 MACS J0647+7015 근방에서 다수의 경로로 휘어지게 되었다. 

 

이러한 중력렌즈 효과에 의해서 우주망원경과학연구소(the Space Telescope Science Institute)의 마크 포스트만(Marc Postman)이 이끄는 국제연구그룹인 CLASH 팀은 허블 망원경을 사용하여  MACS0647-JD의 확대된 모습을 관측하였다. 

 

은하단의 중력이 이처럼 먼 거리의 존재하는 빛을 거의 7~8배 정도로 확대시키고, 밝기도 원래의 밝기보다 두 배 정도 강화시키면서 천문학자들이 확신을 가지고 이 먼거리의 천체를 보다 효과적으로 관측할 수 있게 해 준것이다. 

 

은하단이 만들어주는 이와 같은 확대 효과가 없었다면 천문학자들은 이처럼 멀리 떨어진 은하를 볼 수 없었을 것이다. 

 

포스트만의 소감은 다음과 같다. 

"이 은하단은 인간이 만든 어떤 망원경도 할 수 없는 일을 해 낼 수 있습니다. 

이 은하단이 만들어준 확대효과가 없었다면 이 은하를 관측하기 위해서는 어마어마한 노력이 필요했을 것입니다."

 

 

 

이 천체는 너무나 작아서 아마도 전체 우주에서 발생단계에 있는, 초기 은하일 것으로 추측되고 있다. 

분석결과에 의하면 이 은하의 너비는 600광년이 채 되지 않는다. 

 

이보다 좀더 가까이 위치하는 은하들에 대한 관측 결과에 따르면 천문학자들은 이 시대의 일반적인 은하의 너비는 대략 2천광년정도가 되어야 하는 것으로 예측하고 있다. 

 

이와 비교하여 우리 은하의 위성은하인 대마젤란 성운의 경우, 그 너비는 1만 4천 광년이며, 지금 우리 은하의 지름은 15만 광년이다. 

 

이번 연구논문의 주요필자인 우주망원경과학 연구소, 댄 코(Dan Coe)의 설명은 다음과 같다.

"이 천체는 아마도 은하를 구성하는 여러 블럭 중 하나일지도 모릅니다. 

다음 130억년에 걸쳐 아마도 수십, 수백 혹은 수천번 다른 은하 또는 은하 파편들과 충돌합병을 겪었을 것입니다. "

 

이 은하를 구성하고 있는 별들의 총 질량은 대략 우리 태양의 1억 배에서 10억 배 정도로 이는 우리 은하를 구성하고 있는 별의 총 질량의 0.1퍼센트에서 1퍼센트 정도에 해당하는 양이다. 

 

이 은하는 허블의 WFC3와 ACS 카메라를 이용하여 - 근자외선에서 근적외선 대역까지 - 총 17개의 필터를 이용하여 관측되었다. 

 

이 은하는 CLASH 팀의 연구원인 코(Coe)가 CLASH 탐사의 대상으로 선정된 17개의 은하단에서 만들어주는 렌즈효과에 의해서 수천 개의 새로운 천체들이 목록화되는 와중인 2012년 2월에 발견되었다. 

MACS0647-JD의 경우는 다른 천체들과는 달리 가장 빨간색 대역을 담아내는 두 개의 필터에서만 그 모습이 나타났다. 

 

Coe는 발견 당시를 다음과 같이 회상하였다.

" 이러한 사실은 MACS0647-JD 가 오직 빨강색 대역에서만 빛을 내는 붉은 색의 천체이거나 아니면 너무나도 멀리 떨어져 있어 그 빛이 '적색편이' 효과에 의해 이 파장까지 밀려 내려온 천체이거나, 아니면 이 두가지가 모두 해당되는 천체이거나 하는 가능성을 말해주는 것이었죠.

우리는 이 모든 것을 가설로서 가정했답니다."

 

Coe와 그의 협력자들은 여러 달에 걸쳐  이 천체의 성격에 대해서 적색 별일 가능성, 갈색왜성일 가능성, 중간 정도에 위치하는 붉은색의 오래되었거나 먼지가 가득 들어차 있는 은하일 가능성, 그리고 결국 이 천체의 정체였던, 아주 멀리 떨어져 있는 은하일 가능성 등의 설명가능한 선택지들을 놓고 하나하나 배제하는 작업을 진행하였다.   

Coe는 이 은하의 모습을 담고 있는 세 개의 사진들은 중력렌즈 효과를 제공해준 은하단이 최상의 렌즈 효과를 발휘해 주었을 때 우리가 볼 수 있을 것으로 예견한 아주 멀리 떨어져 있는 은하의 특성들과 아주 딱 맞아 떨어졌다고 말했다.  

 

이번 논문은 12월 20일 The Astrophysical Journal 에 게재될 예정이다. 

 

적색편이는 우주공간의 팽창 때문에 나타나는 현상이다. 

MACS0647-JD 에 대해 Coe가 측정한 적색편이는 11로서 이는 지금까지 측정된 적색편이 정도중 가장 높은 수치에 해당한다. 

이 은하로부터 출발한 근자외선의 파장은 팽창하는 우주를 지나오는 동안 근적외선 영역까지 늘어지게  된 것이다. 

 

Coe의 설명은 다음과 같다. 

"생성 초기의 은하들은 갓 태어난 뜨거운 푸른별들에 의해 달아오르게 됩니다. 그런데 이들을 허블 우주망원경으로 관측해보면  모두 대단히 붉은 빛을 띄게 되는 것이죠."

 

I긴파장의 데이터를 습득한 스피처 우주망원경의 데이터는 이번 분석에서 핵심적인 자료가 되었다. 

만약 이 천체가 원래 붉은색의 천체였다면 스피처 우주망원경이 촬영한 자료에서 이 천체는 밝게 보였을 것이다. 

그러나 이 천체는 스피처의 데이터에서는 간신히 찾아볼 수 있거나 전혀 보이지 않았는데 이는 이 천체가 매우 멀리 위치하고 있다는 것을 말해주는 것이었다. 

연구팀은 이 천체의 연령과 구성물질들에 대해 좀더 확실한 자료를 얻기 위해 스피처 우주망원경으로 이 은하에 대해 좀더 장시간의 노출 데이터를 얻을 계획을 수립하였다. 

 

천문학자들은 첫 번째 세대의 은하들은 빅뱅이후 1억년에서 5억년 사이에 생성되었을 것으로 추측하고 있다. 

이 때의 은하들은 이후 세대의 초신성 폭발등에 의해 생겨난 무거운 원소들로부터는 상대적으로 자유로운 좀더 원시적인 형태의 모습을 띠고 있다. 

그러나 아주 조그만 파편과 같은 은하는, 그 위치가 너무 멀리 떨어져 있을 경우 은하의 빛이 수천가지 색깔로 퍼져버리기 때문에 현재의 망원경으로는 그 거리를 확정할만한 분광학적 데이터를 얻을 수 없게 된다. 

그럼에도 불구하고 Coe는 이 어린 은하가 가지고 있는 독특한 색채와 연구팀의 광범위한 분석 결과를 기초로 해서 볼 때 가장 멀리 떨어져 있는 최장거리의 은하라고 확신하고 있다. 

여러 파장을 가진 천체가 어떤 양상으로 밝게 보이는지를 측정함으로써 연구팀은 이 천체까지의 거리측정이 신뢰할만하다고 결정하였다.  

 

이와 같이 엄청난 거리로 떨어져 있는 천체까지의 거리를 측정하는데 있어서 근적외선 파장의 데이터는 가장 결정적인 자료가 된다. 

따라서 이 은하는 제임스 웹 우주망원경이 설치되면 우선적인 탐사대상이 될 것이 거의 확실히다. 

포스트만의 견해는 다음과 같다. 

"이번 관측에서 이 천체는 허블이 관측가능한 영역의 거의 끝부분에 위치하고 있어 천체의 모습을 거의 구분하기 어려울 정도입니다. 

 좀 더 그 모습을 확실하게 보기 위해서는 훨씬 더 큰 망원경이 필요합니다."

 

제임스 웹 우주망원경의 근적외선 파장 감지 능력은 허블의 3배 이상으로 향상될 것이다. 

또한 제임스 웹 우주망원경의 훨씬 더 큰 거울은 MACS0647-JD 의 스펙트럼을 좀더 효과적으로 담아내게 될 것이다. 

이러한 과정을 통해 이 은하의 질량과 연령, 그리고 첫 세대의 별들로부터 만들어진 무거운 원소들의 함유량 뿐 아니라 이 은하까지의 거리도 보다 명확하고 정확하게 도출될 것이다. 

 

이번에 발견된 은하는 허블 ACS와 WFC3를 가지고 25개의 무거운 은하단을 다파장으로 관측한 CLASH 탐사에서 발견된 두 번째 원거리 은하이다.  

올해 초 CLASH 팀은 우주의 나이가 4억 9천만년일 때(적색편이 9.6) 존재한 은하의 발견을 보고한 적이 있는데 이번에 발견된 은하는 이 은하의 기록을 7천만년 더 앞당긴 것이다.(*하단 역자 주 참고)  

 

지금까지 25개 은하단에 대한 관측에서 20개 은하단의 관측이 완료되었다. 

연구팀은 이번 발견과 같이 초기에 존재하는 왜소은하들을 좀 더 찾아낼 수 있기를 희망하고 있다. 

 

만약 이처럼 어린 은하들이 많이 존재하고 있다면 이들은 재이온화라고 불리는 과정 즉, 우주를 진공상태로 만들어낼만큼 충분히 수소구름을 태워버릴만한 에너지를 제공할 수 있었을 것이다. 

재이온화는 결국 우리 우주를 투명한 빛의 우주로 만들어내는 역할을 수행한 사건이다. 

 

 

 

 

* '허블사이트'폴더에는 허블공식사이트(http://hubblesite.org) 의 뉴스센터 자료를 번역,게시하고 있습니다.

   본 내용은 2012년 11월 15일 발표된 뉴스입니다.

 
* 역자 주 : 불과 2개월 전인 2012년 9월 19일,  가장 멀리 떨어진 은하의 발견 소식이 발표된 바 있습니다.
                다음의 포스팅을 참고하세요.  https://big-crunch.tistory.com/12346253

 

 

 

원문>

 

사진1>

 

ABOUT THIS IMAGE:

In this image, astronomers use NASA's Hubble Space Telescope and a cosmic zoom lens to uncover the farthest known galaxy in the universe.

The newly discovered galaxy, named MACS0647-JD, is very young and only a tiny fraction of the size of our Milky Way. The object is observed 420 million years after the big bang, when the universe was 3 percent of its present age of 13.7 billion years.

Astronomers used the powerful gravity from the massive galaxy cluster MACS J0647+7015 to magnify the light from the distant galaxy, an effect called gravitational lensing. The bright yellow galaxies near the center of the image are cluster members.

Due to the gravitational lensing technique, astronomers observed three magnified images of MACS0647-JD with the Hubble telescope. The cluster's gravity boosted the light from the faraway galaxy, making the images appear approximately eight, seven, and two times brighter than they otherwise would, enabling astronomers to detect the galaxy more efficiently and with greater confidence. Without the cluster's magnification powers, astronomers would not have seen this remote galaxy. The three close-up images of the magnified galaxy appear in the insets at left.

This is the latest discovery from a large program, called the Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble (CLASH), that uses natural zoom lenses to reveal distant galaxies in the early universe.

This image is a composite taken with Hubble's Wide Field Camera 3 and the Advanced Camera for Surveys. The observations were taken Oct. 5 and Nov. 29, 2011.

Object Names: MACS J0647+7015, MACS0647-JD

Image Type: Astronomical/Illustration/Annotated

 

Credit: NASA, ESA, M. Postman and D. Coe (STScI), and the CLASH Team

 

 

The full news release story:

 

 

 

By combining the power of NASA's Hubble Space Telescope, Spitzer Space Telescope, and one of nature's own natural "zoom lenses" in space, astronomers have set a new distance record for finding the farthest galaxy yet seen in the universe.

The diminutive blob, which is only a tiny fraction of the size of our Milky Way galaxy, offers a peek back into a time when the universe was 3 percent of its present age of 13.7 billion years. The newly discovered galaxy, named MACS0647-JD, is observed 420 million years after the big bang. Its light has traveled 13.3 billion years to reach Earth.

This is the latest discovery from a large program that uses natural zoom lenses to reveal distant galaxies in the early universe. The Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble (CLASH) is using massive galaxy clusters as cosmic telescopes to magnify distant galaxies behind them, an effect called gravitational lensing.

Along the way, 8 billion years into its journey, this light took a detour along multiple paths around the massive galaxy cluster MACS J0647+7015. Due to the gravitational lensing, the CLASH research team, an international group led by Marc Postman of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Md., observed three magnified images of MACS0647-JD with the Hubble telescope. The cluster's gravity boosted the light from the faraway galaxy, making the images appear approximately eight, seven, and two times brighter than they otherwise would, enabling astronomers to detect them more efficiently and with greater confidence. Without the cluster's magnification powers, astronomers would not have seen this remote galaxy.

"This cluster does what no manmade telescope can do," said Postman. "Without the magnification, it would require a Herculean effort to observe this galaxy."

The object is so small it may be in the first embryonic steps of forming an entire galaxy. An analysis shows that the galaxy is less than 600 light-years wide. Based on observations of somewhat closer galaxies, astronomers estimate that a typical galaxy of that epoch should be about 2,000 light-years wide. For comparison, the Large Magellanic Cloud, a companion dwarf galaxy to the Milky Way, is 14,000 light-years wide. Our Milky Way is 150,000 light-years across.

"This object may be one of many building blocks of a galaxy," explained Dan Coe of the Space Telescope Science Institute, lead author of the study. "Over the next 13 billion years, it may have dozens, hundreds, or even thousands of merging events with other galaxies and galaxy fragments."

The estimated total mass of the stars in this baby galaxy is roughly equal to 100 million or a billion suns, or about 0.1 percent to 1 percent the mass of our Milky Way's stars.

The galaxy was observed with 17 filters — spanning near-ultraviolet to near-infrared wavelengths — using Hubble's Wide Field Camera 3 (WFC3) and Advanced Camera for Surveys (ACS). Coe, a CLASH team member, discovered the galaxy in February 2012 while pouring through a catalogue of thousands of "lensed" objects found in Hubble observations of 17 clusters in the CLASH survey. MACS0647-JD, unlike all the others, only appeared in the two reddest filters.

"This immediately told us that MACS0647-JD is either a very red object, only shining at red wavelengths, or it is extremely distant and its light has been 'redshifted' to these wavelengths, or some combination of the two," said Coe. "We considered this full range of possibilities."

Coe and his collaborators spent months systematically ruling out these other alternative explanations for the object's identity, including red stars, brown dwarfs, and red (old and/or dusty) galaxies at intermediate distances from Earth, and concluded that a very distant galaxy was the right explanation.

"All three of the lensed galaxy images match fairly well and are in positions you would expect for a galaxy at that remote distance when you look at the predictions from our best lens models for this cluster," Coe said.

The paper will appear in the December 20 issue of The Astrophysical Journal.

Redshift is a consequence of the expansion of space over cosmic time. Coe estimates that MACS0647-JD has a redshift of 11, the highest yet observed. The wavelengths of near-ultraviolet light from the galaxy have been stretched into the near-infrared part of the spectrum as the light traveled through an expanding universe. "At early times, galaxies are ablaze with hot, young blue stars, but they appear extremely red when we see their light with Hubble."

Images of the galaxy at longer wavelengths obtained with the Spitzer Space Telescope played a key role in the analysis. If the object were intrinsically red, it would appear bright in the Spitzer images. Instead, the galaxy was barely detected, if at all, indicating its great distance. The research team plans to use Spitzer to obtain deeper observations of the galaxy, which should yield confident detections as well as estimates of the object's age and dust content.

The first galaxies probably formed somewhere between 100 million and 500 million years after the big bang, the astronomers said. Galaxies formed at earlier times are found to be more pristine, relatively free from heavy-element enrichment by later generations of supernovae.

The small-fry galaxy, however, may be too far away for any current telescope to confirm the distance based on spectroscopy, which spreads out an object's light into thousands of colors. Nevertheless, Coe is confident the fledgling galaxy is the new distance champion based on its unique colors and the research team's extensive analysis. By measuring how bright the object is at various wavelengths, the team determined a reasonably accurate estimate of the object's distance. Near-infrared wavelengths are the most critical to making distance estimates for such far-off objects.

The galaxy will almost certainly be a prime target for the James Webb Space Telescope. "We are reaching the limit of Hubble's vision because the galaxy is barely resolved," Postman said. "To really see finer structure you need a bigger telescope." At near-infrared wavelengths, Webb's resolution will be three times sharper than Hubble's. The Webb telescope's larger mirror will also collect enough light to obtain a spectrum of MACS0647-JD. This will yield a more definitive and precise measurement of the galaxy's distance, as well as the galaxy's mass, age, and amount of heavy elements it contains, which were forged by the first generation of stars.

The new distance champion is the second remote galaxy uncovered in the CLASH survey, a multi-wavelength census of 25 hefty galaxy clusters with Hubble's ACS and WFC3. Earlier this year, the CLASH team announced the discovery of a galaxy that existed when the universe was 490 million years old (redshift 9.6), 70 million years later than the new record-breaking galaxy. So far, the survey has completed observations for 20 of the 25 clusters.

The team hopes to use Hubble to search for more dwarf galaxies at these early epochs. If these infant galaxies are numerous, then they could have provided the energy to burn off the fog of hydrogen that blanketed the universe, a process called reionization. Reionization ultimately made the universe transparent to light.

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

Dan Coe / Marc Postman
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4312 / 410-338-4340
dcoe@stsci.edu / postman@stsci.edu