가장 멀리 떨어진 초신성을 촬영하다.

사진 1> 이 사진은 허블 우주망원경이 100억년 이전에 폭발한 초신성을 잡아낸 사진이다.

           100억광년 거리(적색편이 1.914)에서 폭발한 초신성의 빛이 우주를 가로질러 이제 막 지구에 도착한 것이다.

           이 초신성은 미국 28대 대통령 우드로우 윌슨(Woodrow Wilson)의 이름을 따서 SN 윌슨이라는 애칭이 붙었으며 공식등재 명칭은 SN UDS10Wil이다.

           초신성 폭발이 일어날 당시 우주는 빠른 속도로 새로운 별들을 생성해내기 시작한 때였다.

 

           천문학자들이 SN윌슨을 발견한 것은 2010년 12월로서 '근적외선을 이용한 깊은 우주 외계은하의 조합탐사'(the Cosmic Assembly Near-infrared 

           Deep Extragalactic Legacy Survey, 이하 CANDELS)중에 발견되었다.

           상단 사진에 보이는 작은 네모 박스는 CANDELS 탐사에서 발견한 SN 윌슨이 담긴 은하를 찍어낸 것이다.

           이 사진은 허블 ACS와 WFC3가 촬영한 가시광선 및 적외선 사진을 섞은 것이다.

           천문학자들의 탐사 기술에는 희미한 초신성의 불꽃을 찾기 위해, 3년에 걸쳐 대략 50일 간격으로 동일 지역을

           WFC3의 다양한 근적외선 파장으로 촬영하는 것을 수반하고 있다.

 

           하단에 보이는 3개의 사진은 WFC3가 근적외선으로 촬영한 것으로 천문학자들이 초신성을 어떻게 찾아냈는지를 보여주고 있다.

           가장 왼쪽의 사진은 SN윌슨이 발견된 원래 은하만을 보여주고 있다.

           중간 사진은 왼쪽 사진보다 일년 이전에 촬영된 것으로 SN윌슨과 함께 촬영된 은하를 보여주고 있다.

           이 사진에서 초신성은 은하 중심에 아주 가까이 붙어 있어서 구분할 수 없는 상태이다.

           바로 이 사진에서 초신성을 관측해내기 위해 천문학자들은 왼쪽 사진에 담긴 은하만의 빛을 제거하는 방법을 써서

           SN윌슨만의 빛을 찾아낼 수 있었으며 그 결과가 오른쪽 사진에 나타나 있다.

 

          천문학자들은 WFC3의 분광기와 유럽 남반구 천문대의 거대 망원경을 활용하여 SN 윌슨의 거리와 빛을 검증하였으며
          이로부터 이 초신성이 Ia 유형에 속하는 독특한 특징을 가진 초신성임을 밝혀내었다.  

 

 

The full news release story:
NASA의 허블 우주망원경이 우주의 거리를 측정하는데 사용되곤 하는 유형의 초신성 중 가장 멀리 떨어진 초신성의 기록을 경신했다.

 

미국 28대 대통령 우드로우 윌슨(Woodrow Wilson)의 이름을 따서 SN 윌슨이라는 애칭이 붙은 초신성 UDS10Wil은

100억년 이상의 거리(적색편이 1.914)에서 폭발한 초신성이다.

당시 우주는 대단히 빠른 비율로 새로운 별들을 만들어내기 시작했던 시기였다.

 

SN 윌슨은 초신성 폭발의 특이한 유형인 Ia 유형에 해당하는 초신성이다.

이러한 유형의 초신성이 발생시키는 불꽃은 천문학자들에게는 대단히 중요한 가치를 가지는데, 이 유형의 초신성은 일정한 정도의 밝기를 가지고 있어,

그 밝기를 통해 우주의 팽창을 측정할 수 있는 우주적 스케일의 거리 지표석으로 사용될 수 있기 때문이다.

또한 이 폭발을 통해 우주의 팽창을 가속화시키기고 있는 수수께끼의 힘인 암흑 에너지의 본성에 대한 단서를 도출할 수도 있다.

이번 발견을 자세히 기록한 과학논문의 수석 저자인 존스홉킨스 대학의 천문학자 데이비드 오 존스(David O. Jones)의 소감은 다음과 같다.
"이번 발견은 초기 우주를 바라보는 창문을 열어젖힌 것으로서, 어떻게 이 별들이 폭발하게 되었는가에 대한 매우 중요하면서도 새로운 통찰을 제공해 줄 것입니다.  또한 우리는 이 시대의 초신성 폭발들이 우주의 진화와 팽창을 이해하는데 얼마나 신뢰할만한 단서인지를 다루고 있는 여러 이론들을 테스트할 수도 있을 것입니다."

 

Ia 유형의 초신성 폭발을 둘러싼 여러 논쟁 중 하나가 이들을 불타오르게 만든 퓨즈가 되었다.

이번 관측 결과가 Ia 유형의 초신성이 어떻게 폭발하게 되는지에 대한 서로 다른 두 개의 시나리오 중 하나에 신빙성을 제공해 준 것이다.

비록 에비단계이긴 하지만,  이번 증거는 백색 왜성이라 불리는 완전히 타버린 두 개의 별이 서로 파괴적인 충돌을 격게 된다는 사실을 지지하고 있다.

 

이번 발견은 2010년 시작되어 3년째 진행중인 허블 프로그램인,  우주의 폭발적인 탄생인 빅뱅 이후

지난 138억년 동안 Ia유형의 초신성들이 어떻게 변화되어 왔는지를 결정하는 탐사의 일환으로 이루어졌다. 
 
'CANDELS+CLASH' 초신성 프로젝트로 불리는 이 연구에서는 허블 우주망원경에 장착된 WFC3의 고해상도 기능 및 여러 기능들을 이용하여
근적외선 대역에서 초신성을 탐사하고 분광기를 통해 이들까지의 거리를 알아내는데 도움을 주고 있다. 

이 연구에서는 허블의 두 가지  대규모 프로그램을 이용하여 초신성을 추적하고 있다. 

그 하나가 CANDELS이며 다른 하나가  수 천개의 은하들을 대상으로 하는 '은하단 중력렌즈 효과와 초신성 탐사'프로그램이다.  
이 연구는 우주망원경 과학연구소와 존스 홉킨스 대학의 과학자인 아담 리스(Adam Riess)가 지휘하고 있다.

 

멀리 떨어진 초신성 발견은 암흑 에너지에 의해 팽창이 가속되고 있는 우리 우주를 측정하는 강력한 방법을 획득하는 것과 같다.

 

지금까지 리스의 연구팀은 24억년~100억년 이전 거리 범위에서 다양한 유형의 초신성을 100개 이상 발견했다.

그리고 이 새로운 발견 중에는 SN윌슨을 포함하여 90억 광년 이상의 거리에서 총 8개의 Ia유형의 초신성을 발견한 것도 포함된다.  

초신성 관측팀의 탐사 기술은 초신성의 희미한 불꽃을 찾아 3년 간에 걸쳐 동일 지역을 50일 간격으로 다파장의 근적외선으로 촬영하는 것도 수반하고 있다.

연구팀이 SN윌슨을 식별해 낸 것은 CANDELS 탐사 프로젝트 중으로 2010년 12월에 발견하였다.

그리고 연구팀은 WFC3의 분광기와 유럽 남반구 천문대의 거대망원경을 활용하여 초신성의 거리를 식별하고, 그 불빛이 Ia유형의 초신성에 해당하는 독특한 특징이 존재하는지를 식별하였다.

 

비록 SN윌슨은 이전에 가장 먼 거리의 초신성 기록에 비해 고작 4퍼센트 정도만 더 멀리 떨어져 있지만

이를 시간으로 환산하면 무려 3억 5천만 광년에 달한다.

이전 가장 먼 초신성 기록은 불과 석 달 전, 미국 에너지 성 로렌스 버클리 국립 연구소의 데이비드 루빈의 연구팀의 의해서 발견된 기록이었다.  

 

리스의 설명이 이어진다.
"이번에 발견된 초신성들은 우주의 팽창을 가속시키고 있는 암흑에너지를 연구하는데 매우 중요한 수단이 될 것입니다.
 또한 이번 연구는 우리가 초신성 자체를 얼마나 잘 이해하고 있는지를 평가할 수 있는 일종의 '부하 테스트'의 기회가 될 것입니다."

 

그러나 천문학자들은 여전히 암흑에너지의 본성과 Ia유형의 초신성이 어떻게 폭발하는지에 대해 더 많은 것을 알아야 할 과제가 있다.

 

이번 연구에 참여한 존스홉킨스 대학의 스티브 로드니(Steve Rodney)의 의견은 다음과 같다.
"Ia 유형의 초신성은 지금까지 수립된 것 보다 훨씬 정확한 거리 지표를 제공해 줍니다만,

 우리는 여전히 이 지표가 항상 정확하게 거리를 측정할 수 있는 단서가 되는지는 확신하지 못하고 있습니다.

 이번에 발견된 초신성들을 더 잘 이해하게 되면, 보다 더 정확한 우주적 거리지표석을 얻을 수 있게 될 것입니다."

초기 우주의 Ia유형 초신성을 발견하게 됨으로써 천문학자들은 이 유형의 초신성에 대해 서로 경쟁 관계에 있는 두 개의 폭발 모델을 구분할 수 있게 되었다.

첫 번째 모델은 두 개의 백색 왜성이 충돌하면서 발생하게 되는 폭발이다.

그리고 다른 하나의 모델은 하나의 초신성이 보통 별에 지나지 않는 자신의 동반성으로부터 표피를 점점 빨아들이면서

그 질량이 한계치를 넘어설 때 초신성 폭발이 일어난다는 모델이다.

 

연구팀이 초기에 수집한 증거들은 75억년 거리의 Ia유형 초신성들로부터 100억년 거리의 Ia유형 초신성들까지 명확한 감소양상을 보여주었다.

이러한 감소 양상은 두 개의 백색왜성의 충돌모델을 지지하는 결과가 되는데, 왜냐하면 초기 우주에서 대부분의 별들은 Ia유형의 초신성이 되기에는

시간이 너무 촉박했을 것으로 예측할 수 있기 때문이다.

 

리스의 설명은 다음과 같다.
"초신성을 팝콘으로 한 번 가정해 봅시다.
 이 때 질문은 언제부터 팝콘을 튀기기 시작했는냐가 될 것입니다.
 아마 당신은 튀겨지기 시작한 낟알이 어떤 과정을 거칠지에 대해 서로 다른 이론을 가질 수 있을 것입니다.
 그러나 당신이 첫번째 낟알이 튀겨지기 시작할 때와 이들이 얼마나 자주 튀겨졌는지를 봤다면, 

 이것은 팝콘이 완성되기까지 거치는 과정에 대해 중요한 정보를 말해주는 샘이 되는 거죠."

 

두 개의 백색 왜성 충돌 시나리오에서 첫 세대의 초신성들은 자신이 별로 탄생한지 4억광년이 지난 시점에 초신성 폭발을 맞게 되지만
이 비율은 점차 감소하는 양상을 보인다.

로드니의 설명은 다음과 같다.
"우주에서 별들의 생성이 가장 왕성하게 발생한 정점에 해당하는 시기는 약 100억년 전입니다.
 만약 대부분의 초신성들이 탄생하고 나서 얼마되지 않은 짧은 시간내에 폭발했다면, 우리는 아마도 이와 비슷한 시기에 초신성들의 폭발이 정점에 달하는 모습을 볼 수 있었을 것입니다.  그런데 우리는 새로운 별들의 생성이 정점에 이르던 이 시기에 SN윌슨과 같은 초신성은 상대적으로 적게 발견했습니다. 
이는 두 개의 백색왜성 모델과 오늘날 별의 생성과 폭발 사이 간격이 점점 넓어지고 있다는 사실을 지지해 주고 있는 것이죠."
 
Ia유형의 초신성을 촉발 시키는 과정을 알게 되면 우리 우주가 얼마나 빨리 철과 같은 무거운 원소들이 들어차게 됐는지도 알 수 있게 된다.

폭발하는 별들이 우리 우주에 존재하는 철의 절반을 만들어냈으며 이는 식물이나 동물과 같은 생명체를 만드는 원재료가 된다.

 

이번 연구결과는 이번에 간행될 Astrophysical Journal에 게재될 예정이다.

 

* '허블사이트'폴더에는 허블공식사이트(http://hubblesite.org) 의 뉴스센터 자료를 번역,게시하고 있습니다.
   본 내용은 2013년 4월 4일 발표된 뉴스입니다.

 

원문>

사진1>

ABOUT THIS IMAGE:

This is a Hubble Space Telescope view looking long ago and far away at a supernova that exploded over 10 billion years ago. The supernova's light is just arriving at Earth because it has traveled more than 10 billion light-years (redshift 1.914) across space.

The supernova, designated SN UDS10Wil, is nicknamed SN Wilson, after the 28th U.S. President, Woodrow Wilson. At the time it exploded, the universe was in its early formative years where stars were being born at a rapid rate.

Astronomers spotted SN Wilson in December 2010 in the Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS) field. The small box in the top image pinpoints SN Wilson's host galaxy in the CANDELS survey. The image is a blend of visible and near-infrared light, taken by Hubble's Advanced Camera for Surveys and Wide Field Camera 3 (WFC3). The astronomers' search technique involved taking multiple near-infrared images with WFC3 spaced roughly 50 days apart over the span of three years, looking for a supernova's faint glow.

The three bottom images, taken in near-infrared light with WFC3, demonstrate how the astronomers found the supernova. The image at far left shows the host galaxy without SN Wilson. The middle image, taken a year earlier, reveals the galaxy with SN Wilson. The supernova cannot be seen because it is too close to the center of its host galaxy. To detect the supernova, astronomers subtracted the left image from the middle image to see the light from SN Wilson, shown in the image at far right.

The astronomers then used WFC3's spectrometer and the European Southern Observatory's Very Large Telescope to verify SN Wilson's distance and to decode its light, finding the unique signature of a Type Ia supernova.

Object Names: Supernova Wilson, SN UDS10Wil

Image Type: Astronomical/Annotated

 

Credit: NASA, ESA, A. Riess (STScI and JHU), and D. Jones and S. Rodney (JHU)

The full news release story:

NASA's Hubble Space Telescope has broken the record in the quest to find the farthest supernova of the type used to measure cosmic distances. Supernova UDS10Wil, nicknamed SN Wilson, after the 28th U.S. President, Woodrow Wilson, exploded more than 10 billion years ago (redshift 1.914). At that time, the universe was in its early formative years where stars were being born at a rapid rate.

SN Wilson belongs to a special class called Type Ia supernovae. These bright beacons are prized by astronomers because they provide a consistent level of brightness that can be used as a cosmic yardstick for measuring the expansion of space. They also yield clues to the nature of dark energy, the mysterious force accelerating the rate of expansion.

"The new distance record holder opens a window into the early universe, offering important new insights into how these stars explode," said astronomer David O. Jones of The Johns Hopkins University in Baltimore, Md., lead author on the science paper detailing the discovery. "At that epoch, we can test theories about how reliable these detonations are for understanding the evolution of the universe and its expansion."

One of the debates surrounding Type Ia supernovae is the fuse that ignites them. This latest detection adds credence to one of two competing theories of how they explode. Although preliminary, the evidence favors the explosive merger of two burned-out stars, called white dwarfs.

The discovery was part of a three-year Hubble program, begun in 2010, to survey faraway Type Ia supernovae to determine if they have changed over the 13.8 billion years since the big bang, the explosive birth of the universe. Called the CANDELS+CLASH Supernova Project, the census uses the sharpness and versatility of Hubble's Wide Field Camera 3 (WFC3) to assist astronomers in the search for supernovae in near-infrared light and verify their distance with spectroscopy. The survey searches for supernovae in two large Hubble programs, the Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey and the Cluster Lensing and Supernova Survey with Hubble, which study thousands of galaxies. The census is led by Adam Riess of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Md., and The Johns Hopkins University.

Finding remote supernovae provides a powerful method to measure the universe's accelerating expansion due to dark energy. So far, Riess's team has uncovered more than 100 supernovae of all types and distances, ranging from 2.4 billion years ago to more than 10 billion years ago. Of those new discoveries, the team has identified eight Type Ia supernovae that exploded more than 9 billion years ago, including SN Wilson.

The supernova team's search technique involved taking multiple near-infrared images spaced roughly 50 days apart over the span of three years, looking for a supernova's faint glow. The team spotted SN Wilson in December 2010 in the CANDELS survey. They then used WFC3's spectrometer and the European Southern Observatory's Very Large Telescope to verify the supernova's distance and to decode its light, finding the unique signature of a Type Ia supernova.

Though SN Wilson is only four percent farther than the previous distance record holder, it pushes roughly 350 million years further back in time. The last record breaker was announced just three months ago by a separate team led by David Rubin of the U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory in California.

"These supernovae are important tools for studying the dark energy that is speeding up the expansion of space," Riess explained. "This study gives us a chance to 'stress test' the supernovae themselves to test how well we understand them."

Astronomers, however, still have much to learn about the nature of dark energy and how Type Ia supernovae explode.

"The Type Ia supernovae give us the most precise yardstick ever built, but we're not quite sure if it always measures exactly a yard," said team member Steve Rodney of The Johns Hopkins University. "The more we understand these supernovae, the more precise our cosmic yardstick will become."

By finding Type Ia supernovae so early in the universe, astronomers can distinguish between two competing explosion models. In one model the explosion is caused by a merger between two white dwarfs. In another, a white dwarf gradually feeds off its partner, a normal star, and explodes when it accretes too much mass.

The team's preliminary evidence shows a sharp decline in the rate of Type Ia supernova blasts between roughly 7.5 billion years ago and more than 10 billion years ago. The steep drop-off favors the merger of two white dwarfs because it predicts that most stars in the early universe are too young to become Type Ia supernovae.

"If supernovae were popcorn, the question is how long before they start popping?" Riess said. "You may have different theories about what is going on in the kernel. If you see when the first kernels popped and how often they popped, it tells you something important about the process of popping corn."

In the two white-dwarf scenario, the first supernovae pop off about 400 million years after they are born as stars, and then the rate gradually declines over time. "There is a cosmic 'high noon' for star formation at about 10 billion years ago," Rodney explained. "If most of the supernovae were exploding very shortly after their birth, then we would see a cosmic 'high noon' for supernova explosions at about the same time. We are actually finding relatively few supernovae like SN Wilson at the time of peak star formation, and this favors the double white-dwarf model, with a modest time delay between formation and explosion."

Knowing the type of trigger for Type Ia supernovae will also show how quickly the universe enriched itself with heavier elements, such as iron. These exploding stars produce about half of the iron in the universe, the raw material for building planets and life.

The team's results have been accepted for publication in an upcoming issue of The Astrophysical Journal.

CONTACT

Ray Villard
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4514
villard@stsci.edu

J.D. Harrington
NASA HQ, Washington, D.C.
202-358-5241
j.d.harrington@nasa.gov