헤일로의 별들을 측정하여 우리 은하의 진화 역사를 추적하다.

 

 

그림 1> 이 삽화는 오래된 별들이 머물고 있는 희미한 헤일로에 둘러싸여 있는 우리 은하 원반을 묘사하고 있다.

천문학자들은 허블우주망원경을 이용하여 안드로메다 은하를 관측하던 중 우연히 우리 은하 헤일로에 속하는 일련의 별들을 식별할 수 있었다.

그리고 헤일로 외곽부에 위치하는 별들로서는 처음으로 이들의 고유 운동을 측정하였다.(그림에서 화살표가 이 별들의 고유 운동을 표시하고 있다.)

이번에 측정된 고유 운동은 난장이 은하들의 강착을 통해 형성된 것으로 추측되는 헤일로의 다중중첩구조(Shell구조)의 가능성을 암시하고 있었다.

이번 관측은 우리 은하가 전 생애주기동안 작은 규모의 은하들을 집어삼키면서 성장과 진화를 계속해왔다는 견해를 지지하고 있다.

 

 

The Full News Release Story

 

천문학자들이 NASA 허블 우주망원경으로 우리 은하를 감싸고 있는 광대한 별무리로 구성된 헤일로를 관측하여 우리 은하가 과거 주변의 은하들을 집어삼켰던 시절의 유물이라 할 수 있는, 오래된 별들이 층층이 몰려 있는 중첩구조가 존재할 가능성을 암시하는 증거들을 발견했다.

허블우주망원경은 사상 처음으로 우리 은하의 중심부로부터 멀리 떨어져 있는 별들을 극히 일부나마 샘플로 선정하여 이들의 고유 운동을 정밀하게 측정하는데 사용되곤 했다.

이 별들의 비상식적인 고유 운동은 이 별들이 수십억년전 우리 은하의 중력 작용에 의해 찢겨진 은하의 남은 잔해일지도 모른다는 정황증거가 된다.

이 별들은 우리 은하가 좀더 작은 규모의 은하로부터 점점 크게 성장해왔다는 추측을 부분적으로 지지하고 있다.

 

우주망원경과학 연구소의 롤랜드 반더 마렐(Roeland van der Marel)의 설명은 다음과 같다.

"허블우주망원경의 독보적인 능력은 천문학자들로 하여금 우리 은하의 머나먼 과거의 단서를 밝혀줄 수 있게 해주고 있습니다.
은하의 중심부로부터 멀리 떨어진 지역은 안쪽 지역보다 좀더 천천히 진화하게 됩니다.
따라서 외곽부의 천체들은 오래전에 발생한 사건들의 단서를 아직도 쥐고 있는 셈이 되는 것이죠."

 

또한 이 천체들은 은하의 질량을 구성하는 부분에서 눈에 보이지 않는 부분, 즉, 암흑물질(일체의 복사가 방출되지 않아 전혀 보이지 않는 물질)로

구성된 부분까지 포함한 새로운 질량 측정이 가능하도록 하는 기회를 제공해주기도 한다.

우리 우주는 1천억개의 은하들로 가득차 있으며 우리의 집이기도 한 은하수는 우리로부터 가장 가까이 존재하는 은하인만큼 은하의 역사와 구조를 세부적으로 연구하는데 최적의 대상이 되기도 한다.

 

이번 연구팀을 이끌고 있는 캘리포니아 대학의 앨리스 데손(Alis Deason )과 반더 마렐은 우리 은하의 중심으로부터 약 8만광년 떨어져 있는 13개의 별을 특정하였다.

이들은 우리 은하가 생성되던 때까지 소급되는 고대의 별로 구성된 헤일로 외곽부에 위치하고 있다.

연구팀은 이 별들이 예측된 것보다 훨씬 많은 움직임을 보이고 있다는 사실에 놀라움을 금치 못했다.

이러한 움직임은 주로 시선방향으로 움직이는 공전궤도를 가진 우리 별 태양과 가까이 있는 헤일로의 별들의 움직임과는 사뭇 다른 움직임이었다.

이 별들은 우리 은하 중심부로 추락하다가 다시 외곽부로 돌아가는 궤도를 보여주고 있었다.
우리 은하 중심에 접선을 가지는 이러한 별들의 움직임은 마치 고속도로에서 후진하는 자동차처럼, 8만광년 거리에 예측이상으로 별들이 많이 몰려 있다면 설명이 가능하게 된다.

이러한 체증 양상은 다른 은하의 주변에서 보이는 것과 같은 중첩양상(Shell 구조)을 만들 수 있게 된다.

 

데손과 그녀의 연구팀은 우리의 이웃 은하인 안드로메다 은하를 관측한 허블 우주망원경의 축적 데이터에서 7년에 걸쳐 우리 은하 헤일로 외곽의 별들을 따로 식별해 내는 작업을 해왔다.

허블 우주망원경은 우리 은하의 헤일로를 관통하여 저 멀리 떨어진 안드로메다의 별을 관측해왔는데, 이 별들은 일반적으로 우리 은하 외곽의 별들보다 20배 이상 멀리 떨어진 별들이었다.

이러한 관측에서 우리 은하 헤일로의 별들은 목표물의 앞쪽에 위치하고 있는 관계로 안드로메다 은하를 연구하는데 방해물로 간주되어 왔다.

그러나 데손의 연구에서 이들은 순도 높은 금덩이와 다를바 없었다.

이 관측은 우리 은하 헤일로에 있는 별들의 움직임을 관측하는 유일한 기회가 된 셈이다.

 

별을 발견하는 것은 세심한 주의가 요구되는 작업이다.

허블 사진 한장마다에 담겨 있는 별들은 대개 10만개를 넘는 양이었다.

 

지난한 작업을 계속한 반더 마렐의 소감은 다음과 같다.

"우리 은하 헤일로에 속하는 별들을 찾아내는 작업은 어떤 면에서는 짚더미에서 바늘을 찾는 것과 같은 작업이었다고 할 수 있죠."

천문학자들은 별의 색깔과 밝기, 그리고 고유운동을 통해 별의 정체를 식별해낸다.

헤일로의 별들은 안드로메다의 별들보다는 훨씬 가까이 위치하고 있기 때문에 훨씬 더 빠른 움직임을 보인다.

연구팀의 일원인 우주망원경과학 연구소의 생모 토니 손(Sangmo Tony Sohn)은 헤일로의 별들을 식별하고, 이러한 별들의 양과 고유운동에서 나타나는 방향을 측정하였다.

 

하늘에서 이 별들의 움직임은 일년에 오직 1밀리초 각에 지나지 않는데 이는 우리 달에 위치한 골프공이 한 달에 1피트 정도 움직이는 것과 같은 차이이다.

그럼에도 불구하고 5퍼센트의 정밀도를 가지고 움직임이 측정되었는데, 가시광선을 통한 측정이 가능했던 것은 허블의 면도칼과 같은 고분해능과 장비들이 있었기 때문에 가능했던 것이다.

반더 마렐의 소감은 다음과 같다.

"이마만큼의 정확한 관측은 허블의 고분해능과 수년동안 축적된 관측자료들, 그리고 허블우주망원경의 안정성 때문에 가능했답니다.
허블 우주망원경은 우주공간에 위치하고 있고, 그래서 중력이나, 바람, 대기변화, 지진으로 인한 요동으로부터 완전히 자유롭기 때문에 가능했던 것이죠."
 

헤일로 안쪽에 존재하는 별들은 매우 높은 정도의 시선방향 궤도를 가지고 있다.

연구팀은 헤일로 외곽부의 별들이 가지는 접선운동을 각자의 시선운동과 비교해 보았을 때, 놀랍게도 두 운동이 동일한 운동량을 가지고 있다는 사실을  알게 되었다.

은하의 형성에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과는 별이 헤일로의 외곽부로 멀어질수록 시선운동쪽으로 움직임이 점점 편중되는 양상을 보여주고 있다.

그런데 이번 관측은 완전히 다른 경향을 보여주고 있었던 것이다.

 

그렇다면 우리 은하 헤일로에 존재하는 다층중첩 구조는 이번 연구원들의 발견에 의해 그럴듯한 설명이 가능하게 되는 것이다. 

Shell 구조라 불리는 다층중첩 구조는 위성은하의 강착 현상에 의해 생겨날 수 있다.

이러한 설명은 우리 은하가 전생애 주기에 걸쳐 위성은하들의 강착에 의해 진화를 계속해왔다는 설명과 일치한다.

 

연구팀은 그들의 연구 결과를 SDSS(the Sloan Digital Sky Survey)로부터 취득한 헤일로의 별들에 대한 데이터와 비교하였다.

SDSS의 관측 자료는 허블의 연구대상이었던 헤일로 외곽부 13개의 별들과 비슷한 거리에 고밀도로 별들이 몰려 있다는 사실을 밝혀주었다.

이와 비슷한 별들의 과잉양상은 삼각형자리 은하와 안드로메다 은하 모두에 존재하고 있었다.

반지름 정도 거리 바깥쪽에 수많은 별들이 곤두박질쳐져 있었던 것이다.

 

데손은 즉시 이러한 두 개의 결과는 결코 우연의 일치가 아니라고 생각했다.

"우리 은하의 중심에서 가장 멀리 떨어진, 원점에 존재하는 별들은 매우 천천히 움직일 거라는 것이 일반적으로 예상할 수 있는 일일 겁니다.
이러한 감속 양상으로 인해 각 별들이 자신의 궤도에서 움직일 때 우리 은하에서 후퇴한 그 지점에 별들이 쌓여 있는 양상을 만들어내게 되죠.
이러한 이유로 앞뒤로 움직임을 보이는 시선 운동은 접선운동에 비해서 점점 감소하게 되는 것이죠." 

 

대부분 은하에서는 별들이 첩첩이 쌓여 있는 구조가 관측되며 천문학자들은 우리 은하 역시 이러한 구조를 가지고 있을 것이라고 예측되어 왔다.

그러나 지금까지 이러한 예견을 입증할 만한 증거에는 한계가 있었다.

헤일로에 위치한 별들은 매우 침침하고 하늘 전역에 걸쳐 퍼져 있기 때문에 관측하기가 매우 어려웠던 것이다.

 

연구 팀은 이번 연구결과에 용기를 얻어, 기존 허블 관측 자료에서 더 멀리 떨어진 헤일로의 별들을 탐색하고 있다.

 

데손은 다음과 같이 소감을 밝히고 있다.
"기대치 않았던 이번 결과는 더 많은 별들을 찾고자 하는 우리의 흥미를 북돋워주는 계기가 되었답니다.
현재로서 우리는 아주 적은 샘플만을 가지고 있죠. 따라서 좀더 많은 허블의 관측 데이터를 찾아볼수록 우리의 예측은 더더욱 확고해지게 될 것입니다."

 

안드로메다 은하의 관측 자료는 하늘에서 고작 "열쇠구멍"정도에 지나지 않는 영역만을 커버할 뿐이다.

연구팀의 목표는 우리 은하의 형성과정에 대해 보다 선명한 그림을 내놓는 데에 있다.

수많은 헤일로의 별들의 공전궤도와 움직임을 알아냄으로서 보다 정확한 우리 은하의 질량을 계산할 수 있게 될 것이다.

 

데손의 의견은 다음과 같다.
"지금까지 우리는 별들의 접선운동에 대해서는 망각해 왔죠. 그러나 그것이 핵심 단서랍니다.
별들의 접선운동을 측정하면 암흑물질이 거의 대부분을 차지하는 우리 은하의 질량 분포를 보다 더 잘 측정할 수 있게 되죠.
질량 분포를 연구함으로써, 우리은하의 형성과정에 대해 이론적으로 예측된 질량 분포 양상과 실제 분포양상이 얼마나 부합되는지를 알 수 있게 될 것입니다."

 

연구팀의 연구결과는 이번에 발행될 'Astrophysical Journal'에 개재될 예정이다.

* '허블사이트'폴더에는 허블공식사이트(http://hubblesite.org) 의 뉴스센터 자료를 번역,게시하고 있습니다.
   본 내용은 2013년 2월 21일 발표된 뉴스입니다.

 

원문>

ABOUT THIS IMAGE:

This illustration shows the disk of our Milky Way galaxy, surrounded by a faint, extended halo of old stars. Astronomers using the Hubble Space Telescope to observe the nearby Andromeda galaxy serendipitously identified a dozen foreground stars in the Milky Way halo. They measured the first sideways motions (represented by the arrows) for such distant halo stars. The motions indicate the possible presence of a shell in the halo, which may have formed from the accretion of a dwarf galaxy. This observation supports the view that the Milky Way has undergone continuing growth and evolution over its lifetime by consuming smaller galaxies.

Image Type: Illustration

Illustration Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

Science Credit: NASA, ESA, A. Deason and P. Guhathakurta (University of California, Santa Cruz), and R. van der Marel, T. Sohn, and T. Brown (STScI)

 

 

The full news release story:

Peering deep into the vast stellar halo that envelops our Milky Way galaxy, astronomers using NASA's Hubble Space Telescope have uncovered tantalizing evidence for the possible existence of a shell of stars that are a relic of cannibalism by our Milky Way.

Hubble was used to precisely measure, for the first time ever, the sideways motions of a small sample of stars located far from the galaxy's center. Their unusual lateral motion is circumstantial evidence that the stars may be the remnants of a shredded galaxy that was gravitationally ripped apart by the Milky Way billions of years ago. These stars support the idea that the Milky Way grew, in part, through the accretion of smaller galaxies.

"Hubble's unique capabilities are allowing astronomers to uncover clues to the galaxy's remote past. The more distant regions of the galaxy have evolved more slowly than the inner sections. Objects in the outer regions still bear the signatures of events that happened long ago," said Roeland van der Marel of the Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Md.

They also offer a new opportunity for measuring the "hidden" mass of our galaxy, which is in the form of dark matter (an invisible form of matter that does not emit or reflect radiation). In a universe full of 100 billion galaxies, our Milky Way "home" offers the closest and therefore best site for detailed study of the history and architecture of a galaxy.

A team of astronomers led by Alis Deason of the University of California, Santa Cruz, and van der Marel identified 13 stars located roughly 80,000 light-years from the galaxy's center. They lie in the Milky Way's outer halo of ancient stars that date back to the formation of our galaxy.

The team was surprised to find that the stars showed more of a sideways, or tangential, amount of motion than they expected. This movement is different from what astronomers know about the halo stars near the Sun, which move predominantly in radial orbits. Stars in these orbits plunge toward the galactic center and travel back out again. The stars' tangential motion can be explained if there is an over-density of stars at 80,000 light-years, like cars backing up on an expressway. This traffic jam would form a shell-like feature, as seen around other galaxies.

Deason and her team plucked the outer halo stars out of seven years' worth of archival Hubble telescope observations of our neighboring Andromeda galaxy. In those observations, Hubble peered through the Milky Way's halo to study the Andromeda stars, which are more than 20 times farther away. The Milky Way's halo stars were in the foreground and considered as clutter for the study of Andromeda. But to Deason's study they were pure gold. The observations offered a unique opportunity to look at the motion of Milky Way halo stars.

Finding the stars was meticulous work. Each Hubble image contained more than 100,000 stars. "We had to somehow find those few stars that actually belonged to the Milky Way halo," van der Marel said. "It was like finding needles in a haystack."

The astronomers identified the stars based on their colors, brightnesses, and sideways motions. The halo stars appear to move faster than the Andromeda stars because they are so much closer. Team member Sangmo Tony Sohn of STScI identified the halo stars and measured both the amount and direction of their slight sideways motion. The stars move on the sky only about one milliarcsecond a year, which would be like watching a golf ball on the Moon moving one foot per month. Nonetheless, this was measured with 5 percent precision, made possible in visible-light observations because of Hubble's razor-sharp view and instrument consistency.

"Measurements of this accuracy are enabled by a combination of Hubble's sharp view, the many years' worth of observations, and the telescope's stability. Hubble is located in the space environment, and it's free of gravity, wind, atmosphere, and seismic perturbations," van der Marel said.

Stars in the inner halo have highly radial orbits. When the team compared the tangential motion of the outer halo stars with their radial motion, they were very surprised to find that the two were equal. Computer simulations of galaxy formation normally show an increasing tendency towards radial motion if one moves further out in the halo. These observations imply the opposite trend. The existence of a shell structure in the Milky Way halo is one plausible explanation of the researchers' findings. Such a shell can form by accretion of a satellite galaxy. This is consistent with a picture in which the Milky Way has undergone continuing evolution over its lifetime due to the accretion of satellite galaxies.

The team compared their results with data of halo stars recorded in the Sloan Digital Sky Survey. Those observations uncovered a higher density of stars at about the same distance as the 13 outer halo stars in their Hubble study. A similar excess of halo stars exists across the Triangulum and Andromeda constellations. Beyond that radius, the number of stars plummets.

Deason immediately thought the two results were more than just coincidence. "What may be happening is that the stars are moving quite slowly because they are at the apocenter, the farthest point in their orbit about the hub of our Milky Way," Deason explained. "The slowdown creates a pileup of stars as they loop around in their path and travel back towards the galaxy. So their in and out or radial motion decreases compared with their sideways or tangential motion."

Shells of stars have been seen in the halos of some galaxies, and astronomers predicted that the Milky Way may contain them, too. But until now there was limited evidence for their existence. The halo stars in our galaxy are hard to see because they are dim and spread across the sky.

Encouraged by this study, the team hopes to search for more distant halo stars in the Hubble archive. "These unexpected results fuel our interest in looking for more stars to confirm that this is really happening," Deason said. "At the moment we have quite a small sample. So we really can make it a lot more robust with getting more fields with Hubble." The Andromeda observations only cover a very small "keyhole view" of the sky.

The team's goal is to put together a clearer picture of the Milky Way's formation history. By knowing the orbits and motions of many halo stars it will also be possible to calculate an accurate mass for the galaxy. "Until now, what we have been missing is the stars' tangential motion, which is a key component. The tangential motion will allow us to better measure the total mass distribution of the galaxy, which is dominated by dark matter. By studying the mass distribution, we can see whether it follows the same distribution as predicted in theories of structure formation," Deason said.

The Hubble study will appear in an upcoming issue of the Astrophysical Journal.

The science team consists of A. Deason and P. Guhathakurta of UCO/Lick Observatory, University of California, Santa Cruz, Calif., and R.P. van der Marel, S.T. Sohn, and T.M. Brown of the Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.

CONTACT

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

Alis Deason
University of California, Santa Cruz, Calif.
831-459-3841
alis@ucolick.org

Roeland van der Marel
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4931
marel@stsci.edu