'불꺼진' 은하의 진화양상에 대한 미스테리를 밝혀내다.

 

Credit: NASA, ESA, M. Carollo (ETH Zurich)

 

사진 1> 이 사진은 허블 COSMOS(우주진화탐사, the Cosmic Evolution Survey) 의 일환으로 촬영된, 더 이상 별이 만들어지지 않는 20개의 불꺼진 은하를 담은 사진이다.

각 은하는 각 사진의 중심부근의 겨냥선 내에 위치하고 있다.

먼거리에 존재하는 불꺼진 은하들은 가까운 거리에서 발견되는 불꺼진 은하들에 비해 훨씬 작은 규모를 가지고 있다.

이러한 현상으로 인해 작은 규모의 은하들이 다른 작은 규모의 은하들과 충돌을 계속하며 가스가 고갈된 은하로서 성장을 계속해 오는 것으로 생각되었지만, 보다 큰 규모를 가진 불꺼진 은하들은 좀 더 나중에 생성된 은하였음이 판명되었다. 
비교적 작은 규모의 은하들과 나이가 더 오래된 은하들의 숫자가 점점 증가되는 양상이, 보다 큰 규모의 불꺼진 은하들이 생성되기까지 오랜시간동안 충돌합병을 계속해왔을 것이라는 잘못된 인상을 심어준 것이다.

 

'불꺼진' 은하의 진화양상을 규명하다.

 

어떤 은하들은 새로운 별의 생성이 멈췄을 때 삶의 마침표를 찍고 '불이 꺼진' 은하가 된다.

오래 전에 불이 꺼저 버린 먼 거리의 은하들은 오늘날의 우주에서 발견되는 불꺼진 은하들보다 훨씬 작은 크기를 가지고 있다. 

 

이것은 천문학자들에게는 항상 수수께끼로 남아 있는 문제이다.

은하들이 더 이상 새로운 별들을 생성하지 못한다면 어떻게 이 은하들이 몸집은 계속 키워나갈 수 있었던 것일까?

 

천문학자들은 방대한 허블관측자료를 활용하여 오랜동안 풀리지 않은 이 우주의 수수께끼에서 놀랍도록 단순한 답을 찾아냈다.

 

지금까지 우리 주변에서 발견되는 보다 큰 규모의 불꺼진 은하들은 별들의 생성이 중지된 작은 은하들이 계속 규모를 키워왔을 것으로 생각되어 왔다.

이 은하들은 더 이상 새로운 별들을 생성하지 못하기 때문에 이들은 질량이 다섯배나 열배정도 적은, 다른 작은 규모의 불꺼진 은하들과의 충돌합병을 통해 몸집을 키워왔을 것으로 추측되었던 것이다.

그러나 이러한 시나리오가 성립되기 위해서는 충돌합병이 이루어지기 위한 작은 규모의 은하들이 많이 떠나니고 있어야 할 것인데, 이러한 현상은 전혀 발견되지 않았다.

 

최근까지 불꺼진 은하들의 충분한 숫자를 탐색하는 것은 불가능했다.
그러나 천문학자들은 허블우주망원경의 COSMOS탐사를 활용하여 과거 80억년 동안의 불꺼진 은하들을 식별하고 그 숫자를 헤아릴 수 있었다. 

 

불꺼진 은하들의 탐사에 대한 새로운 논문을 발표한 수석저자인 스위스연방공과대학의 마르셀라 카롤로(Marcella Carollo)는 "외관상 불꺼진 은하들이 몸집을 계속 불려왔다는 생각은 수년동안 우주의 진화를 연구하는데 있어 가장 큰 수수께끼중 하나였답니다."라고 말했다.

 

공동저자인 칼택의 닉 스코빌(Nick Scoville)은 "허블의 COSMOS 탐사가 있기까지 동일한 방법으로 매우 많은 수의 은하들을 연구할 수 있기에 충분할만큼의 단일 컬랙션은 지금까지 존재하지 않았습니다."라고 덧붙였다.

 

 

사진2> 이 사진은 COSMOS의 탐사 대상이 된 육분의 자리의 사진으로서 UltraVISTA 서베이에서 적외선 파장으로 바라본 것이다.

이 지역은 허블 우주망원경을 포함한 여러 천체 망원경을 통해서 광범위하게 연구되어 온 지역이다.

허블은 이 지역을 근적외선을 이용한 고화질 탐사를 수행했으며 전체 필드의 화질은 100,800 x 100,800  픽셀이다.

허블이 이 사진을 촬영할 때는 하나의 필터를 사용하였으며 이는 이 사진이 흑백으로 촬영되었음을 의미한다.

이 사진은 유럽우주국의 파라날 천문대에서 VISTA 서베이 천체망원경을 통해 촬영한 6천장의 이미지를 이어붙인 것이다.

연구팀은 COSMOS의 방대한 자료(*각주1)와 함께 하와이에 있는 캐나다-프랑스-하와이 망원경과 쓰바루 망원경의 탐사 자료를 이용하여 우주가 탄생한 후 현재 나이의 반이 채되지 않은 과거의 우주를 탐사하였다.

 

이번 연구에서 탐사한 지역은 보름달 크기의 9배에 달하는 영역에 달했다.

이번에 탐사된 불꺼진 은하들은 모두 소규모의 고밀도 상태였고, 놀랍게도 이들은 그대로 그 모습 그대로 멈춰있는듯한 모습을 보여줬다.

장구한 시간동안 충돌을 거듭하며 몸집을 키우는 대신 이들 작은 은하들은 대부분 새로운 별의 생성이 멈췄을 때의 크기를 그대로 유지하고 있었던 것이다.(*각주2) 

 

그렇다면 왜 우리는 명백하게 몸집을 불려온 것으로 보이는 은하들을 보게 되는 것일까?

 

이번 논문의 공동저자인 스위스연방공과대학의 사이먼 릴리(Simon Lilly)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 좀더 규모가 큰 은하들이 작은 크기의 불꺼진 은하들이 충돌합병한 결과물이 아니라, 최근에 더이상 별을 생성하지 못하게 된 은하라는 것을 알아냈습니다. 

지금까지는 마치 개개의 은하들이 충돌합병을 통해 오랜동안 성장을 계속해왔다는 착각을 불러일으켰던 것이죠."

 

이번 논문의 공동저자인  이탈리아 INAF 파도바 천문대의 알비오 렌치니(Alvio Renzini)가 설명을 덧붙였다.

"그러니까 이건 이렇게 설명할 수 있죠. 도시에서 아파트의 평균 크기가 커진다는 것은 옛날 아파트에 새로운 방을 추가하기 때문이 아니라 좀더 넓이가 큰 새로운 아파트를 만들어내기 때문인거죠"

 

이러한 사실은 은하가 우주의 역사에서 마지막 80억년동안 어떻게 진화해왔는지에 대해 우리에게 많은 정보를 말해주고 있다.

 

초기 우주에서 새로운 별들을 만들어내는 활동적인 은하들의 규모가 지금보다 더 작았다는 것은 익히 알려져 있는 사실이며 이는 별을 더 이상 생성시키지 못하는 초기의 불꺼진 은하들의 규모가 왜 작은지를 설명해주고 있는 것이다.

 

이번 연구의 공동저자인 칼텍의 피터 케이팩(Peter Capak)은 "COSMOS는 이와 같은 종류의 관측을 수행하는데 단순하면서도 최상의 방법을 제공해 주었습니다. 우리는 엄청나게 많은 은하를 정확하게 동일한 방식으로 탐사할 수 있게 되었고 이는 전에는 절대 가능하지 않았던 일이죠."라고 평가했다.

카롤로의 소감은 다음과 같다.
"우리 연구는 이 수수께끼에 대해 놀라울 정도로 단순하고 명료한 설명을 제공했습니다.

우리는 복잡하게 보이는 자연현상에서 단순함을 발견할 때마다 매우 만족하곤 한답니다. "

 

 

 동영상1> 이 동영상은 COSMOS 서베이의 탐사 대상 영역을 보여주고 있다.
 이 영역은 보름달이 차지하는 영역의 대략 10배에 달하는 하늘을 보여주고 있다.
이 영역이 허블우주망원경과 다른 천체 망원경들과 함께 다양한 파장에서 관측되었다.

허블우주망원경은 탐사에 하나의 필터를 사용하였는데, 이는 모든 화상이 흑백으로 촬영되었음을 의미한다.

여기에 등장하는 적외선으로 세밀하게 표현된 일련의 장면은 유럽우주국 파라날 천문대의 VISTA 망원경이 촬영한 것이다.

COSMOS의 탐사 자료는 우주에서 암흑물질의 분포를 3D지도로 제작하는 것과, 은하간의 병합 및 활성은하핵의 관계에 대한 연구를 포함한 다른 중요한 연구들에도 사용되었다.

 

 

*각주1 : COSMOS 서베이가 수행되는 동안 허블우주망원경은 허블에 탑재된 ACS를 이용하여 약간씩 중첩되는 사진을 575장 촬영하였다. 
이를 수행하는데 소요된 시간은 거의 1천 시간에 육박하는데 이는 허블우주망원경이 수행한 프로젝트중 가장 대규모 프로젝트였다. 
이번 탐사는 매우 가치있는 탐사임이 입증되었는데, 탐사결과는 암흑물질의 3D지도를 만드는데, 그리고 중력렌즈효과를 보다 더 잘 이해하고, 우주팽창의 특성을 규명하는데 도움이 되었다.

 

*각주2 : 불꺼진 은하들들이 상호간의 충돌합병을 통해 그 몸집을 불려나간다는 것은 여전히 가능성이 있는 얘기지만 이전에 생각되어왔던 것처럼 이것이 주요 원인은 아닌 것이다.

 

* 출처 : 허블 ESA, 2013년 8월 1일 발표 뉴스
            http://www.spacetelescope.org/news/heic1313/

 

참고 : 각종 은하 및 은하단에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 조회할 수 있습니다.
       - 은하 일반 :  https://big-crunch.tistory.com/12346976
       - 은하단 및 은하그룹 :  https://big-crunch.tistory.com/12346978
       - 은하 충돌 :  https://big-crunch.tistory.com/12346977

 

원문>

 

사진1>

Sample of non-star-forming galaxies from the COSMOS survey

This image shows 20 of the quenched galaxies — galaxies that are no longer forming stars — seen in the Hubble COSMOS observations. Each galaxy is identified by a crosshair at the centre of each frame.  

Quenched galaxies in the distant Universe are much smaller than those seen nearby. It was thought that these small galaxies merged with other smaller, gas-free galaxies to grow bigger, but it turns out that larger galaxies were "switching off" at later times and adding their numbers to those of their smaller and older siblings, giving the mistaken impression of individual galaxy growth over time.

 

Credit:

 

NASA, ESA, M. Carollo (ETH Zurich)

 

 

When galaxies switch off

Hubble's COSMOS survey solves "quenched" galaxy mystery

Some galaxies hit a point in their lives when their star formation is snuffed out, and they become "quenched". Quenched galaxies in the distant past appear to be much smaller than the quenched galaxies in the Universe today. This has always puzzled astronomers — how can these galaxies grow if they are no longer forming stars? A team of astronomers has now used a huge set of Hubble observations to give a surprisingly simple answer to this long-standing cosmic riddle.

Until now, these small, snuffed-out galaxies were thought to grow into the larger quenched galaxies we see nearby.

As these galaxies are no longer forming new stars, they were thought to grow by colliding and merging with other smaller quenched galaxies some five to ten times less massive. However, these mergers would require many such small galaxies floating around for the quenched population to snack on — which we do not see.

Until recently it had not been possible to explore a sufficient number of quenched galaxies, but now a team of astronomers has used observations from the Hubble COSMOS survey to identify and count these switched-off galaxies throughout the last eight billion years of cosmic history.

"The apparent puffing up of quenched galaxies has been one of the biggest puzzles about galaxy evolution for many years," says Marcella Carollo of ETH Zurich, Switzerland, lead author on a new paper exploring these galaxies. "No single collection of images has been large enough to enable us to study very large numbers of galaxies in exactly the same way — until Hubble's COSMOS," adds co-author Nick Scoville of Caltech, USA.

The team used the large set of COSMOS images [1], alongside additional observations from the Canada–France–Hawaii Telescope and the Subaru Telescope, both in Hawaii, USA, to peer back to when the Universe was less than half its present age. These observations mapped an area in the sky almost nine times that of the full Moon.

The quenched galaxies seen at these times are small and compact — and surprisingly, it seems they stay that way. Rather than puffing up and growing via mergers over time, these small galaxies mostly keep the size they had when their star formation switched off [2]. So why do we see these galaxies apparently growing larger over time?

"We found that a large number of the bigger galaxies instead switch off at later times, joining their smaller quenched siblings and giving the mistaken impression of individual galaxy growth over time," says co-author Simon Lilly, also of ETH Zurich. "It's like saying that the increase in the average apartment size in a city is not due to the addition of new rooms to old buildings, but rather to the construction of new, larger apartments," adds co-author Alvio Renzini of INAF Padua Observatory, Italy.

This tells us a lot about how galaxies have evolved over the last eight billion years of the Universe's history. It was already known that actively star-forming galaxies were smaller in the early Universe, explaining why they were smaller when their star formation first switched off.

"COSMOS provided us with simply the best set of observations for this sort of work — it lets us study very large numbers of galaxies in exactly the same way, which hasn't been possible before," adds co-author Peter Capak, also of Caltech. "Our study offers a surprisingly simple and obvious explanation to this puzzle. Whenever we see simplicity in nature amidst apparent complexity, it's very satisfying," concludes Carollo.

Notes

[1] In making the COSMOS survey, Hubble photographed 575 slightly overlapping views of the Universe using the Advanced Camera for Surveys (ACS) aboard Hubble. It took nearly 1000 hours of observations and is the largest project ever conducted with Hubble. This survey has proved invaluable; it has helped to map dark matter in 3D (heic0701), to further understand the effects of gravitational lensing (heic0806), and to characterise the expansion of the Universe (heic1005).

[2] There is still the possibility of growth via mergers for a fraction of this quenched population, but not a majority, as previously thought.

Notes for editors

The Hubble Space Telescope is a project of international cooperation between ESA and NASA.

The research is presented in a paper entitled “Newly-quenched galaxies as the cause for the apparent evolution in average size of the population”, for publication in The Astrophysical Journal.

[1] The international team of astronomers in this study consists of C. M. Carollo (Swiss Federal Institute of Technology [ETH Zurich], Switzerland), T. J. Bschorr (Swiss Federal Institute of Technology [ETH Zurich], Switzerland), A. Renzini (Padova Observatory, Italy), S. J. Lilly (Swiss Federal Institute of Technology [ETH Zurich], Switzerland), P. Capak (Spitzer Science Center, California Institute of Technology, USA), A. Cibinel (Swiss Federal Institute of Technology [ETH Zurich], Switzerland), O. Ilbert (Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, France), M. onodera (Swiss Federal Institute of Technology [ETH Zurich], Switzerland), N. Scoville (California Institute of Technology, USA), E. Cameron (Swiss Federal Institute of Technology [ETH Zurich], Switzerland), B. Mobasher (University of California, USA), D. Sanders (University of Hawaii, USA), Y. Taniguchi (Ehime University, Japan).

More information

Image credit: NASA, ESA, M. Carollo (ETH Zurich)

Links

• Research paper
• The COSMOS survey
• Images of Hubble

Contacts

Marcella Carollo
ETH Zurich
Zurich, Switzerland
Tel: +4144633 3725
Email: marcella@phys.ethz.ch

Alvio Renzini
INAF, Astronomical Observatory of Padova
Padova, Italy
Tel: 049 8293 503
Email: alvio.renzini@oapd.inaf.it

Peter Capak
California Institute of Technology
California, USA
Tel: +1-626-395-6422
Email: capak@astro.caltech.edu

Nicky Guttridge
ESA/Hubble
Garching, Germany
Tel: +49-89-3200-6855
Email: nguttrid@partner.eso.org

 

 

사진2>

The full COSMOS field (UltraVISTA)

This view shows part of the COSMOS field in the constellation of Sextans (The Sextant), as viewed by the UltraVISTA survey in infrared light. This region of sky has been extensively studied by many telescopes, including Hubble. Hubble viewed this field in near-infrared light – at full resolution, the Hubble image of the entire field would measure some 100,800 x 100,800 pixels.

Hubble's image was taken using a single filter, meaning that it appears in black and white (Hubble's F814W, or I-band, filter). This image was created by combining more than 6000 individual images from the VISTA survey telescope at ESO's Paranal Observatory in Chile.

Links:

• Hubble: The full COSMOS survey field

 

Credit:

 

ESO/UltraVISTA team. Acknowledgement: TERAPIX/CNRS/INSU/CASU

 

동영상>

Zoom on the COSMOS field (UltraVISTA)

This video offers a zoom on the COSMOS survey, a detailed map of a patch of sky roughly 10 times the size of the area covered by the full Moon. This field has been studied by Hubble and other telescopes at different wavelengths. The Hubble image was taken using a single filter, meaning that it appears in black and white (Hubble's F814W, or I-band, filter).

The final detailed infrared view in this zoom sequence comes from the VISTA telescope at ESO's Paranal Observatory.

Data from the COSMOS survey has been used for much important research, including creating a 3-dimensional map of the Universe's dark matter distribution, and a study into the relationship between major mergers of galaxies and active galactic nuclei.

 

Credit:

ESO/A. Fujii/Digitized Sky Survey 2/UltraVISTA teamESO.
Music: John Dyson (from the album Moonwind).