우주의 여명기에 등장한 은하들

 

 

사진1> HUDF 2012 캠패인에서 발표한 이 사진에서 7개의 새로운 원거리 은하가 발견되었다. 

이들은 모두 빅뱅 이후 3억 5천만년에서 6억년 사이 구간에 존재하는 은하들이다. 

이번 은하 조사자료는 이 시기의 은하를 조사한 모든 자료 중에서 가장 신뢰성 높은 샘플을 담고 있다. 

이 은하들은 모두 허블 WFC3를 사용하여 근적외선에서 촬영되었다. 

사진에 색깔있는 사각형으로 표시된 것들은 이번에 발견된 은하의 위치를 표시한 것이다. 

각각의 은하를 확대한 사진은 흑백 사진으로 표시되어 있으며 흑백 사진 안에 표시된 빨간색 선은 대상 은하를 특정하고 있다. 

각 은하의 적색 편이 정도는 각 박스의 하단에 'z' 라는 기호로 표시되어 있다. 

적색편이 측정치는 이 은하의 자외선이나 가시광선이 우주 자체의 팽창에 의해 적외선 대역까지 얼마나 많이 밀려나갔는지를 말해주고 있다.        

적색편이 수치가 클수록 그 은하는 멀리 존재하는 은하이다. 그러므로 이는 천문학자들이 훨씬 더 과거를 보고 있음을 의미한다. 

이 중에서 적색편이 11.9 로 나타나는 은하는 아마도 가장 멀리 떨어진 은하의 기록을 갱신할 것으로 보인다. 

이 은하는 빅뱅이후 고작 3억 8천년 이후에 나타난 은하로서, 이는 우리 우주 전체 나이의 3퍼센트에 채 못미치는 시간대이다. 

'HUDF2012'는 2012년 8월~9월 사이에 촬영되었다. 

 

The full news release story:

천문학자들이 허블 우주망원경을 이용하여 130억년 전,

즉 우리 우주의 나이가 전체 나이의 3퍼센트에도 미치지 못했을 때 존재했던 일련의 원시 은하들을 처음으로 발견했다. 

 

허블우주망원경으로부터 얻은 깊은 우주 사진에서 

은하들이 처음으로 형성되던 시기에도 얼마나 많은 은하들이 존재했는지를 통계적으로 확실하게 뒷받침해주는 은하들의 샘플이 처음으로 도출된 것이다. 

 

이 결과는 빅뱅으로부터 약 4억 5천만년이 지난 시점까지 시간을 거슬러 올라갈수록 은하들의 숫자가 점진적으로 증가하고 있는 경향을 보여주고 있다. 

이러한 관측 결과는 은하들이 유구한 시간동안 통합을 계속해왔다는 가설,  그리고  빅뱅이후 불과 몇 억년 사이에 우주의 재가열,

또는 재이온화를 촉발시키에 충분한 만큼의 복사에너지를 제공했을 것이라는 가설을 뒷받침해 주고 있다. 

 

이러한 선구적인 관측은 이 시기를 관측하는데 있어서 NASA의 차세대 우주망원경인 제임스 웹 우주망원경의  앞날에 불을 밝혀주는 것이기도 하다. 

 

우주를 좀더 깊이 들여다본다는 것은 동시에 더 멀리 존재하는 과거를 엿보는 것이기도 하다. 

지금 우주의 나이는 137억 살이다. 

이번에 새로 발견된 은하들은 빅뱅이후 3억 5천만년에서부터 6억년 사이에 존재하던 은하들이다. 

이 은하들로부터 출발한 빛이 이제 막 지구에 닿은 것이다. 

 

이번에 새로 획득된 대단히 깊은 우주의 사진은 주의깊게 수립된 탐사 전략에 의해 획득된 것으로서 

이로 인해 이전의 연구들보다 훨씬 더 먼 과거까지 관측할 수 있었고

그 결과 처음으로 이 시기에 대해 신뢰할만한 조사자료를 도출할 수 있었다고 학자들은 입을 모았다. 

 

 

 

 

특히 주목할만한 것은 이 은하들중 하나는 아마도 가장 멀리 존재하는 은하의 기록을 경신하게 될 지도 모른다는 것이다. 

이 은하는 우주의 탄생이후 3억 8천만년 지점에서 관측되었는데 이는 적색편이 11.9에 해당하는 위치였다. (위 사진)

 

이는 울트라 딥 필드(UDF)로 알려져 있는 특정 하늘 대역을 집중적으로 연구한 허블의 야심적인 탐사의 결과물이기도 하다.  

 

캘리포니아 기술연구소의 리차드 엘리스(Richard Ellis)가 이끄는 연구팀이, UDF 2012라고 명명된 새로운 2012캠패인에서 허블 WFC3를 활용하여 

기존의 어떤 허블 우주망원경 관측보다도 훨씬 더 깊은 우주를 근적외선으로 관측하였다. 

 

이 관측은 8월부터 9월까지 6주간에 걸쳐서 이루어졌으며 이 관측으로부터 도출된 과학적 성과들이 일련의 논문들로 집필되어 이제 발표되고 있는 것이다. 

UDF 2012팀은 이 독보적인 데이터를  다른 연구 그룹들이 자료를 활용할 수 있도록 준비를 마치고 공개하기 시작했다. 

 

천문학자들은 대단히 멀리 떨어져 있는 우주를 근적외선 대역에서 연구하는데 이는 '적색편이'라고 부르는 현상, 즉 우주 자체의 팽창으로 인해서 은하들로부터 출발한 자외선과 가시광선이이 적외선 대역의 파장까지 늘어지는 현상 때문이다. 

멀리 존재하는 은하일수록 적색편이 정도는 높게 나타난다. 

 

새로운 프로그램의 주요 목표는 초기우주로부터 지금까지 얼마나 빠른 속도로 은하의 숫자가 증가되어 왔는지를 결정하는데 있다. 

이러한 측정치는 은하들이 얼마나 빨리 자신을 구성하는 별들을 생성해냈는지를 결정하는 핵심 근거가 된다. 

 

이번 연구에 대한 엘리스의 설명은 다음과 같다.

"우리의 연구는 두 가지 방향으로 진행되었습니다. 

우선 우리는 허블우주망원경의 노출을 이전의 연구에서보다 더 오랫동안 지속했습니다. 

관측가능한 우주의 깊이를 늘리는 것은 좀 더 신뢰성 있게 초기 우주를 탐사하는데 있어 본질적인 조건이라 할 수 있었죠. 

두 번째로는 효과적으로 원거리의 은하를 정확할 수 있도록  동원 가능한 컬러 필터들을 모두 사용한 것이었죠."

 

연구팀은 특정 근적외선 파장에서 주의깊게 선택된 네 개의 필터 세트를 통해 이들의 색체를 면밀히 검토하여 은하까지의 거리를 측정하였다. 

 

연구팀의 일원이자 에딘버그 대학 천문연구소의 제인스 던롭( James Dunlop)의 설명은 다음과 같다.

"우리는 어떤 경우 훨씬 가까이에 존재할 가능성이 있는 은하들이 끼어들 가능성을 배제하기 위해서

이전의 어떤 연구에서보다 훨씬 깊은 노출이 가능하도록 몇몇 필터에는 추가로 필터를 덧붙였답니다."

 

던롭은 방출된 빛이 적외선 대역까지 퍼져버리는 은하들에게는 중간에 끼어든 수소들이 가시광선 대역에서 복사된 원래의 빛을 흡수해버리면서 처음부터 근적외선 대역에서 방출된 빛만이 남게 된다고 덧붙였다. 

 

이런 현상 때문에 이 은하들은 대부분의 허블 필터로는 탐지되지 않게 될 것이다. 

이들은 오직 허블의 장파장 적외선 필터로만 관측이 가능하게 될 것인데 이것이 바로 태초의 은하를 발견하게 되는 핵심고리가 되는 것이다. 

UDF 2012 캠패인의 결과는 훨씬 더 깊은 우주에 아직까지 발견되지 않은 수많은 은하들이 제임스 웹 우주망원경에 의해 발견되기를 기다리고 있음을 의미한다. 

 

이번 허블 관측을 감독하고 촬영 이미지를 조합한 연구팀의 저명한 연구원이자 우주망원경 과학 연구소의 안톤 퀘케머(Anton Koekemoer)의 소감은 다음과 같다.

"허블우주망원경을 이용하여 가능한 도달할 수 있는 먼 우주를 관측하긴 했지만  이는 어떤 의미에서는 제임스 웹 우주망원경의 무대를 만들어준 것이라 할 수 있습니다.  이번 우리의 작업은 아주 초기의 우주에도 수많은 은하들이 존재할 수 있음을 말해주고 있으며  바로 이것을 제임스 웹 우주망원경이 연구하게 될 것입니다." 

 

천문학들은 이처럼 초기 은하를 구성하고 있는 별들이 과연 빅뱅 바로 이후에 생겨나서 차가운 수소들을 데울 수 있을만큼 충분히 존재했을지 여부에 대한 논쟁을 오랫동안 지속해 왔다. 

'재이온화'라 불리는 이러한 과정은 빅뱅이후 2억년에서 10억년 사이에 발생한 것으로 추측하고 있다. 

이러한 과정이 우주를 빛이 투과가능한 상태로 만들어주면서 천문학자들이 이 시점까지의 과거를 관측가능하게 해 주는 것이다.  

이번 새로운 연구에서 다루는 은하들은 바로 이 시대, 초기의 우주에서 발견된 것이다. 

 

아리조나 대학의 브란트 로버트슨(Brant Robertson)의 견해는 다음과 같다. 

"빅뱅으로부터 남겨진 불꽃을 마이크로파로 관측한 결과는  재이온화가 130억년 이전에 발생했음을 말해주고 있습니다.

우리 데이터는  재이온화가 수억년에 걸쳐 서서히 별과 화학원소들을 갖춰가는 은하들과 함께 지속된 과정임을 확정해 주고 있습니다.

즉, 재이온화가 은하들이 형성될 때 한순간 드라마틱하게 나타난 일회성 사건이 아니었다는 거죠. 그것은 점진적인 과정이었습니다."

 

연구팀의 조사 결과는 The Astrophysical Journal 개재가 받아들여졌다. 

 

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

   본 내용은 2012년 12월 12일 발표된 뉴스입니다.

 

 

원문>

ABOUT THIS IMAGE:

This new image of the Hubble Ultra Deep Field (HUDF) 2012 campaign reveals a previously unseen population of seven faraway galaxies, which are observed as they appeared in a period 350 million to 600 million years after the big bang.

The galaxy census is the most robust sample of galaxies ever found at these early epochs. The galaxies were seen in near-infrared light using Hubble's Wide Field Camera 3.

The colored squares in the main image outline the locations of the galaxies. Enlarged views of each galaxy are shown in the black-and-white images. The red lines mark each galaxy's location. The "redshift" of each galaxy is indicated below each box, denoted by the symbol "z." Redshift measures how much a galaxy's ultraviolet and visible light has been stretched to infrared wavelengths by the universe's expansion. The larger the redshift, the more distant the galaxy, and therefore the farther astronomers are seeing back in time.

One of the seven galaxies may be a distance breaker, observed at a redshift of 11.9. The galaxy is seen as it appeared 380 million years after the big bang, when the universe was less than 3 percent of its present age.

The HUDF 2012 observations were taken in August and September 2012.

The members of the UDF 2012 team are R. Ellis (California Institute of Technology, Pasadena, Calif.), B. Robertson (University of Arizona, Tucson), R. McLure and J. Dunlop (University of Edinburgh, Scotland, United Kingdom), D. Stark (University of Arizona, Tucson), M. Ouchi (University of Tokyo, Japan), A. Koekemoer (Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.), M Cirasuolo (University of Edinburgh, Scotland, United Kingdom), S. Charlot (Max Planck Institute for Astrophysics, Garching, Germany), V. Wild (University of St. Andrews, Scotland, United Kingdom), and S. Furlanetto (University of California, Los Angeles).

Object Name: HUDF

Image Type: Astronomical/Annotated

   

The full news release story:

Using NASA's Hubble Space Telescope, astronomers have uncovered a previously unseen population of seven primitive galaxies that formed more than 13 billion years ago, when the universe was less than 3 percent of its present age. The deepest images to date from Hubble yield the first statistically robust sample of galaxies that tells how abundant they were close to the era when galaxies first formed.

The results show a smooth decline in the number of galaxies with increasing look-back time to about 450 million years after the big bang. The observations support the idea that galaxies assembled continuously over time and also may have provided enough radiation to reheat, or reionize, the universe a few hundred million years after the big bang.

These pioneering observations blaze a trail for future exploration of this epoch by NASA's next-generation spacecraft, the James Webb Space Telescope. Looking deeper into the universe also means peering farther back in time. The universe is now 13.7 billion years old. The newly discovered galaxies are seen as they looked 350 million to 600 million years after the big bang. Their light is just arriving at Earth now.

The greater depth of the new Hubble images, together with a carefully designed survey strategy, allows this work to go further than previous studies, thereby providing the first reliable census of this epoch, say the researchers. Notably, one of the galaxies may be a distance record breaker, observed 380 million years after the birth of our universe in the big bang, corresponding to a redshift of 11.9.

The results are from an ambitious Hubble survey of an intensively studied patch of sky known as the Ultra Deep Field (UDF). In the new 2012 campaign, called UDF 2012, a team of astronomers led by Richard Ellis of the California Institute of Technology in Pasadena, Calif., used Hubble's Wide Field Camera 3 (WFC3) to peer deeper into space in near- infrared light than any previous Hubble observation. The observations were made over a period of six weeks during August and September, and the first scientific results are now appearing in a series of scientific papers. The UDF 2012 team is publicly releasing these unique data, after preparing them for other research groups to use.

Astronomers study the distant universe in near-infrared light because the expansion of space stretches ultraviolet and visible light from galaxies into infrared wavelengths, a phenomenon called "redshift." The more distant a galaxy, the higher its redshift.

A major goal of the new program was to determine how rapidly the number of galaxies increases over time in the early universe. This measure is the key evidence for how quickly galaxies build up their constituent stars.

"Our study has taken the subject forward in two ways," Ellis explained. "First, we have used Hubble to make longer exposures than previously. The added depth is essential to reliably probe the early period of cosmic history. Second, we have used Hubble's available color filters very effectively to more precisely measure galaxy distances."

The team estimated the galaxy distances by studying their colors through a carefully chosen set of four filters at specific near-infrared wavelengths. "We added an additional filter, and undertook much deeper exposures in some filters than in earlier work in order to convincingly reject the possibility that some of our galaxies might be foreground objects," said team member James Dunlop of the Institute for Astronomy, University of Edinburgh.

For galaxies whose light has been shifted to infrared wavelengths, Dunlop said, the intervening hydrogen will have absorbed all of the light that was originally emitted as visible light and most of the light initially released at near-infrared wavelengths. Therefore, these galaxies will not be detected in most of Hubble's filters. They will only be seen in Hubble's longer-wavelength infrared filters, which hold the key to discovering the earliest galaxies.

The results from the UDF 2012 campaign mean there may be many undiscovered galaxies even deeper in space waiting to be uncovered by the Webb telescope. "Although we may have reached back as far as Hubble will see, Hubble has, in a sense, set the stage for Webb," noted team member Anton Koekemoer of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Md., who oversaw the Hubble observations and combined the images. "Our work indicates that there may be a rich field of even earlier galaxies that Webb will be able to study."

Astronomers have long debated whether hot stars in such early galaxies could have provided enough radiation to warm the cold hydrogen that formed soon after the big bang. This process, called "reionization," is thought to have occurred 200 million to a billion years after our universe's birth. This process made the universe transparent to light, allowing astronomers to look far back into time. The galaxies in the new study are seen in this early epoch.

"Observations of the microwave afterglow from the big bang tell us that reionization happened more than about 13 billion years ago," said Brant Robertson of the University of Arizona in Tucson. "Our data confirms that reionization was a drawn-out process occurring over several hundred million years with galaxies slowly building up their stars and chemical elements. There wasn't a single dramatic moment when galaxies formed; it was a gradual process."

The team's finding on the distant galaxy census has been accepted for publication in The Astrophysical Journal Letters.

For images and more information about these results, visit:

http://hubblesite.org/news/2012/48
http://www.nasa.gov/hubble
http://udf12.arizona.edu

CONTACT

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

Richard Ellis
California Institute for Technology, Pasadena, Calif.
626-676-5530
rse@astro.caltech.edu

James Dunlop / Ross McLure
University of Edinburgh, Edinburgh, Scotland, UK
011-131-668-8477 /011-131-668-8349
jsd@roe.ac.uk / rjm@roe.ac.uk

Brant Robertson
University of Arizona, Tucson, Ariz.
520-626-5909
brant@email.arizona.edu

Anton Koekemoer
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4815
koekemoer@stsci.edu