현대 은하의 기원을 탐사하다.

 

 

 

사진1>

이 포토 일러스트레이션은 우주의 역사를 서로 다른 시간대로 잘라본 모습을 보여주고 있다.(현재, 40억년전, 110억년전)

그리고 각 단면은 과거로 소급될수록 은하의 외형이 어떻게 나타나는지를 보여주고 있다.

허블우주망원경이 가다듬은 분기도식에 나타난 외형은 각각의 은하가 자신의 모양에 따라 나선형, 타원형, 렌즈상 은하로 갈라지고 있음을 보여준다.

도식의 왼쪽은 타원형 은하, 중간 부분은 렌즈상 은하, 그리고 오른쪽으로는 나선은하가 이어져 있다.

나선은하의 아래쪽으로는 막대나선은하가 분기되어 있다.

오늘날의 우주는 거대한 크기의 완전한 형태를 갖춘, 복잡미묘한 은하의 형태를 보여준다

은하는 여전히 생성이 진행중이기 때문에 과거로 거슬러 올라갈수록 은하의 규모는 점점 작아지고 미성숙한 상태를 보인다.

근거리와 원거리에 존재하는 은하에 대한 허블의 사진은 각 은하의 외형을 기반으로 선정되었다.
각각의 은하까지의 거리는 근사치이다.

 

천문학자들이 '근적외선을 이용한 깊은 우주 외계은하의 조합탐사'(the Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey, 이하 CANDELS)를 통해 우주의 역사에서 과거 80%에 해당하는 기간에 존재하는 원거리 은하의 크기와 모양, 색체를 탐사했다.

 

오늘날의 우주는 다양한 형태의 은하들이 존재한다 이 은하들은 허블 시퀀스(the Hubble Sequence)라고 알려진 체계를 통해 분류되었으며,
이러한 체계는 이미 110억년 전부터 존재했던 것으로 판명되었다.

 

허블 시퀀스는 은하들을, 개개 은하가 가지고 있는 형태와 새로운 별 생성 활동을 기반으로 분류하고 있다.
이를 통해 소용돌이 치는 나선팔, 보풀모양의 헤일로와 중심에 밝은 팽대부를 가진, 나선형, 타원형, 불규칙 형태등의 은하들이 수집된 우주의 동물원이 구성되었다.

 

이 시퀀스에서는 은하를 두개의 주요 형태로 식별하고 있는데, 타원형 은하와 나선형 은하가 그것이다.

그리고 제 3의 유형으로서 이 두 개 은하의 중간 모습을 띠는 렌즈상 은하가 있다.

 

허블 시퀀스는 우리를 둘러싼 우주의 특정지역에서 우리가 목격하는 은하들을 정확하게 기술하고 있다.
그러나 우주가 아주 어렸던 훨씬 과거 시점을 바라봤을 때 은하의 형태는 어떻게 변하게 될까?

 

허블시퀀스의 탐사에 대한 새로운 논문의 수석 저자인 메사추세츠 대학의 이보미의 소감은 다음과 같다.

"언제 그리고 어떤 시간척도를 지나서 허블 시퀀스가 형성되었는가?하는 질문은 이에 대한 핵심질문이랍니다. 해답을 얻기 위해서는 멀리 떨어진 은하들을 엿볼 필요가 있으며 이들을 상대적으로 유사한 형태를 가진 은하들과 비교해야 하고, 이 은하들이 같은 방식으로 기술되기에 충분한지를 알아봐야 합니다."

 

천문학자들은 허블우주망원경을 이용하여 우주의 초기상태이던 110억년 전까지를 거슬러올라, 멀리 떨어진 이 은하들의 해부구조를 탐사하고 있다.

 

현재 확립된 허블 시퀀스가 과거 80억년의 기간에 대해서는 그 진실성을 견지하고 있지만[1]
이번 새로운 탐사는 이보다 25억년 더 과거로 소급하여 우주 역사의 80%라는 거대한 시간규모를 대상으로 하고 있는 것이다.

 

이전의 연구에서는 이 시기의 우주에 존재하는 적은 질량의 은하에 대한 연구에까지 도달한바 있지만 결정적으로 여기에는 우리 은하와 같이 거대한 규모의 성숙한 은하들은 일체 포함되지 않았다. 
이번 CANDELS 관측은 이처럼 먼 과거의 모든 은하들 - 큰 은하나 작은 은하 모두 - 이 허블 시퀀스의 분류체계에 들어맞는다는 것을 확정해주었다.

 

이번 논문의 공동저자인 독일 하이델베르그 막스플랑크 천문연구소의 아옌 반더벨(Arjen van der Wel)의 설명은 다음과 같다.

"이번 연구는 오래된 과거에 존재했던 거대 규모를 가진 무거운 은하의 외양에 대해서 수행된 유일한 포괄적 연구입니다. 이 은하들은 충분히 성숙된 모습을 보여주고 있었는데 이는 우주의 역사에서 초기에 존재하던 은하의 형성모델로는 예측되지 않았던 은하들입니다."

 

초기 은하들은 두 가지 서로 다른 양상을 보여주고 있다. 은하원반과 팽대부 그리고 혼란하게 얽힌 덩어리들을 포함한 복잡한 구조를 가지며 새로운 별을 만들어내고 있는 푸른색의 은하와 더 이상 새로운 별들을 만들어내지 않고 있는 무거은 붉은 색 은하들이 우리 주변의 우주에서 목격되고 있는 것이다. [2]

 

우리은하와 같은 질량을 가진 은하 또는 이보다 더 무거운 질량을 가진 은하들은 초기 은하에서는 희귀한 축에 속한다.

이러한 결핍은 은하의 특성을 적절하게 기술할만큼 충분히 성숙된 은하들의 샘플을 모아서 이를 연구하는 것에 있어서 방해요소가 되어왔다. 

 

필요했던 것은 이번 허블 CANDELS에서처럼 천문학자들이 일관적이고 세부적으로 분석해내기에 충분할만큼 많은 수의 은하들을 기반으로한 체계적인 자료였던 것이다.[3]

허블의 WFC3를 이용하여 천문학자들은 가시광선에서 나타나는 은하의 구조이외의 나머지 부분을 적외선을 통해 관측할 수 있었으며
이는 관측자료를 우리 주변에 존재하는 은하들과 보다 쉽게 비교할 수 있게 해주었다.[4]

 

 

 

사진 2> 오늘날 보이는 은하들의 형태 분류도

 

 

 

사진 3> 40억광년 거리에서 보이는 은하들의 형태 분류도

 

 

 

 

사진 4> 110억광년 거리에서 보이는 은하들의 형태 분류도

 

 

이보미의 총결은 다음과 같다.
"대규모의 CANDELS 데이터는 우리가 초기 우주에 존재했던 고대 은하들을 일관되게 연구할 수 있도록 해주는 대단히 훌륭한 자원이었습니다.
허블 WFC3의 해상도와 감지능력은 연구를 진행하는데 필요한 적외선 파장의 데이터를 수집하는데 있어서 무엇에도 뒤지지 않는 훌륭한 탐사장비였죠. 허블시퀀스는 어떻게 은하가 형성되고 진화되어 왔는지에 대해 우리가 알고 있는 지식의 상당부분을 떠받치고 있습니다. - 멀리 떨어진 과거가 어떠했는지를 알아내는 것은 것은 대단히 중요한 발견이죠."
 

 

각주

[1] 이전 연구에서는 과거에 존재했던 서로 다른 유형의 은하의 구성비를 탐사했다. 
나선은하와 타원은하, 렌즈상은하와 특이은하의 구성비는 오늘날과 달랐으며 우리 주변에서 발견되는 원거리 우주에는 특이은하가 훨씬더 많이 존재하고 있었다.

 

[2] 앨리스 몰트록(Alice Mortlock)과 그의 동료들에 의해 상대적으로 최근에 발표된 논문에서는 다른 내용을 보여주고 있지만 외양의 조사를 통해 원거리 은하들을 분류한 것으로는 상호보완적인 접근을 이루어냈다. 
이들은 허블시퀀스를 통해 우리가 보던 은하들의 유형이 매우 확장된 거리 영역에서 색체와 구조, 그리고 별의 생성 비율의 관점에서 매우 명확히 정의되고 있음을 발견했지만 이들의 형태분류체계는 여전히 개발이 진행중이다. 
은하형태론이 확립되는데 있어서는 마지막 단계에 다다른 것으로 보이지만, 허블 시퀀스의 기초는 훨씬 이전부터 확립되어 있었다.

 

[3] CANDELS는 허블우주망원경의 탐사 역사에서 가장 대규모를 자랑하는 프로젝트로서 허블우주망원경이 총 902회 공전하는 시간이 탐사시간에 할당되었다. 
탐사에는 허블에 장착된 두 개의 카메라 WFC3와 ACS가 동원되었으며 초기 초기우주에서 은하의 진화과정과 빅뱅이 있은 후 10억년 이내의 기간동안 은하를 형성시키는데 있어 최초의 씨앗이 된 것이 무엇인지를 탐사하는데 목적을 두었다.
   

[4] 우주의 역사에서 이 시기에 대한 이전의 연구들은 가시광선의 한계로 인해 확정적이지 못한 연구였다.
가시광선에서는 적색편이의 결과 별의 생성만을 나타내는 은하의 자외선 복사만이 보였던 것이다. 
주로 별의 생성만이 관측되었기 때문에 은하는 혼란스럽고 덩어리진 모습만을 드러냈으며 이는 오늘날 우리 주위에서 관측되는 은하와는 전혀 닮은 구석이 없는 모양이었던 것이다. 
관측범위를 적외선 범위까지 확대함으로써 천문학자들은 이 원거리의 은하들이 어떤 모습을 갖추고 있는지를 가시광선의 나머지 영역에서 찾아낼 수 있었던 것이다. 

 

 

 

 

사진 5>

은하는 우주에서 매우 중요하고 기초적인 구조물이다.

구조적 측면에서 어떤 은하는 매우 단순하지만 어떤 은하들은 매우 복잡한 형태를 띤다.

은하진화의 일관된 가설로 향하는 첫번째 단계중 하나로서 미국의 천문학자 에드윈 허블은 1926년 은하의 분류체계를 발전시켰다.
비록 허블소리굽쇠도(the Hubble tuning fork diagram)로 알려져 있는 이 체계가 어떤 측면에서는 너무나 단순한 것으로 여겨지기도 하지만 그 기본적인 사상만은 계속 견지되고 있다. 
이 도표는 일단 은하를 타원은하와 나선형 은하라는 두 개 부분으로 나누고 있다.
허블은 타원형 은하에 타원특성에 따라 0부터 7까지의 번호를 매겼다. - 'E0'은 거의 원형의 형태를 갖춘 타원은하를, 'E7'은 타원이 심하게 나타나는 타원은하를 말한다.
나선은하의 경우에는 나선팔이 팽팽하게 묶여있는 정도에 따라  a부터 c까지의 글자를 매겼다.
'Sa'는 매우 팽팽하게 휘감긴 나선팔을 가진 은하이며 'Sc'는 나선팔이 느슨하게 휘감긴 나선은하를 가리킨다.
또한 팽대부라고 불리는 중심부의 크기에도 주목할 가치가 있는데, 팽대부의 크기가 클수로 나선팔은 더욱더 팽팽하게 감기는 양상을 보인다.
이것은 특정 은하(허블의 유형으로 보자면, SO, Sa, sb)의 팽대부와 타원은하 사이에 매우 가까운 연관성이 있음을 말해준다.
나선은하의 팽대부와 타원은하는 외형상 매우 유사하게 보이는 것이다.
사실 나선은하는 두 개의 소분류로 한 번 더 나뉘어지는데 일반 나선은하와 막대나선은하가 그것이다.
이 두 개 그룹에서 가장 중요한 차이는 막대나선은하의 경우 팽대부의 중심을 별로 이루어진 막대가 가로지르고 있다는 것이다.
막대나선은하에서 나선팔은 팽대부로부터 시작되는대신, 일반적으로 막대의 양쪽 끝에서 시작된다.
막대나선은하는 분류체계에서 'B'로 표기된다.
따라서 'SBc'는 느슨하게 감긴 나선팔을 가진 막대나선은하인 것이다.
'SO' 또는 렌즈상 은하는 타원은하와 나선은하의 중간지점에 존재하는, 두 개 유형의 은하간 다리를 놓는 은하이다.
허블은 몇몇 은하들의 경우 이 소리굽쇠도 상에 포함시키기가 매우 어렵다는 것을 알아냈다.
이러한 유형에 속하는 은하들로는 특이한 외형들을 가진 불규칙 은하들, 매우 작은 크기의 왜소은하들, 그리고 은하단의 중심부에 위치하곤 하는 매우 큰 규모의 거대 타원은하들이 있다.
한동안 허블소리굽쇠도는 은하의 진화 양상으로 생각되기도 했다.
이는 은하들이 어느 한유형에서 다른 유형으로, 즉 소리굽쇠도의 왼쪽에서 오른쪽으로 그 형태가 달라질 것이라고 생각되기도 했다는 것이다. 
그래서 'Sa'와 'SBa' 유형의 은하들은 '초기 유형'의 은하들로, 'Sc'와 'SBc'유형의 은하들은 '후기 유형'으로 불리기도 했다.
비록 최초의 개념은 나중에는 지나치게 은하를 단순한 시킨 것임이 밝혀지긴 했지만 천문학자들은 오늘날 여전히 이 명명체계를 사용하고 있다.
은하의 진화 양상은 허블이 생각했던 것보다도 훨씬 복잡한 양상으로서 은하의 초기 붕괴 조건, 다른 은하와의 충돌, 그리고 내부에서 발생하는 별생성의 극대기와 쇠퇴기 등 여러 조건들이 여기에 포함된다.

 

 * 출처 : 허블 우주망원경은 미국 NASA와 유럽우주국 ESA가 함께 운용하는 탐사장비입니다.

             본 뉴스는 허블 ESA에서 2013년 8월 15일 발표한 뉴스입니다.
             http://www.spacetelescope.org/news/heic1315/

 

원문>

 

사진1>

The Hubble Sequence throughout the Universe's history

This image shows "slices" of the Universe at different times throughout its history (present day, and at 4 and 11 billion years ago). Each slice goes further back in time, showing how galaxies of each type appear. The shape is that of the Hubble tuning fork diagram, which describes and separates galaxies according to their morphology into spiral (S), elliptical (E), and lenticular (S0) galaxies. on the left of this diagram are the ellipticals, with lenticulars in the middle, and the spirals branching out on the right side. The spirals on the bottom branch have bars cutting through their centres.

The present-day Universe shows big, fully formed and intricate galaxy shapes. As we go further back in time, they become smaller and less mature, as these galaxies are still in the process of forming.

This image is illustrative. the Hubble images of nearby and distant galaxies used were selected based on their appearance; their individual distances are only approximate.

 

Credit:

 

NASA, ESA, M. Kornmesser

 

Hubble explores the origins of modern galaxies

Astronomers see true shapes of galaxies 11 billion years back in time

Astronomers have used observations from Hubble’s CANDELS survey to explore the sizes, shapes, and colours of distant galaxies over the last 80% of the Universe’s history. In the Universe today galaxies come in a variety of different forms, and are classified via a system known as the Hubble Sequence — and it turns out that this sequence was already in place as early as 11 billion years ago.

The Hubble Sequence classifies galaxies according to their morphology and star-forming activity, organising them into a cosmic zoo of spiral, elliptical, and irregular shapes with whirling arms, fuzzy haloes and bright central bulges. Two main types of galaxy are identified in this sequence: elliptical and spiral, with a third type, lenticular, settling somewhere between the two.

This accurately describes what we see in the region of space around us, but how does galaxy morphology change as we look further back in time, to when the Universe was very young?

"This is a key question: when and over what timescale did the Hubble Sequence form?" says BoMee Lee of the University of Massachusetts, USA, lead author of a new paper exploring the sequence. "To do this you need to peer at distant galaxies and compare them to their closer relatives, to see if they too can be described in the same way."

The astronomers used Hubble to look 11 billion years back in time to when the Universe was very young, exploring the anatomy of distant galaxies.

While it was known that the Hubble Sequence holds true as far back as around 8 billion years ago [1], these new observations push a further 2.5 billion years back in cosmic time, covering a huge 80% of the past history of the Universe. Previous studies had also reached into this epoch of the cosmos to study lower-mass galaxies, but none had conclusively also looked at large, mature galaxies like the Milky Way. The new CANDELS observations confirm that all galaxies this far back — big and small alike — fit into the different classifications of the sequence.

"This is the only comprehensive study to date of the visual appearance of the large, massive galaxies that existed so far back in time," says co-author Arjen van der Wel of the Max Planck Institute for Astronomy in Heidelberg, Germany. "The galaxies look remarkably mature, which is not predicted by galaxy formation models to be the case that early on in the history of the Universe."

The galaxies at these earlier times appear to be split between blue star-forming galaxies with a complex structure — including discs, bulges, and messy clumps — and massive red galaxies that are no longer forming stars, as seen in the nearby Universe [2].

Galaxies as massive as the Milky Way or more are rather rare in the young Universe. This scarcity has prevented previous studies from being able to gather a large enough sample of mature galaxies to properly describe their characteristics.

What was needed was a systematic set of observations such as those from Hubble's CANDELS survey, which was large enough to allow the astronomers to analyse a larger number of these galaxies consistently, and in detail [3]. With Hubble's Wide Field Camera 3 (WFC3), the astronomers were able to observe in the infrared part of the spectrum to see how the galaxies appeared in their visible rest-frame [4], which is easier to compare with galaxies in our neighbourhood.

"The huge CANDELS dataset was a great resource for us to use in order to consistently study ancient galaxies in the early Universe," concludes Lee. "And the resolution and sensitivity of Hubble's WFC3 is second to none in the infrared wavelengths needed to carry out this study. The Hubble Sequence underpins a lot of what we know about how galaxies form and evolve — finding it to be in place this far back is a significant discovery."

Notes

[1] Previous studies have looked at the proportions of the different galaxy types back in time (heic1002). The mix of spiral, elliptical, lenticular and peculiar galaxies is different from today, with a great many more peculiars in the distant Universe than we see nearby.

[2] In a related recent paper, Alice Mortlock and collaborators took a different but complementary approach by classifying these distant galaxies by visual inspection. They found that the types of galaxies we see in the Hubble Sequence are well defined in terms of colour, structure, and star formation rates at very large distances from us, but that their morphology is still developing. While the morphology of a galaxy may be the final property to settle, the fundamentals of the Hubble Sequence are set much earlier on.

[3] CANDELS, the Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey, is the largest project in the history of Hubble, with 902 assigned orbits of observing time. It is being carried out with two cameras on board Hubble – WFC3 and ACS – and aims to explore galactic evolution in the early Universe, and the very first seeds of cosmic structure at less than one billion years after the Big Bang.

[4] Previous studies of this period of cosmic history were inconclusive as they were limited to visible light, showing only the redshifted ultraviolet emission of the galaxies, which highlights star formation. As this star formation dominated the observations, the galaxies appeared to be clumpy and messy, with no resemblance to the galaxy shapes we see around us today. By pushing into the infrared part of the spectrum the astronomers could observe how these distant galaxies appear in their visible rest frame (which is now redshifted).

Notes for editors

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

These results are described in a paper entitled "CANDELS: The correlation between galaxy morphology and star formation activity as Z~2", to appear in The Astrophysical Journal.

[1] The international team of astronomers in this study consists of B. Lee (University of Massachusetts, USA), M. Giavalisco (University of Massachusetts, USA), C. C. Williams (University of Massachusetts, USA), Y. Guo (University of California, USA), J. Lotz (Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA), A. van der Wel (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Germany), H. C. Ferguson (Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA), S. M Faber (University of California, USA), A. Koekemoer (Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA), N. Grogin (Space Telescope Science Institute, Baltimore, USA), D. Kocevski (University of Kentucky, USA), C. J. Conselice (University of Nottingham, UK), S. Wuyts (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Germany), A. Dekel (The Hebrew University, Israel), J. Kartaltepe (NOAO-Tuscon, Arizona, USA), E. F. Bell (University of Michigan, USA).

More information

Image credit: NASA, ESA

Links

• Research Paper
• Images of Hubble

Contacts

BoMee Lee
University of Massachusetts
Massachusetts, USA
Tel: +1-413-545-0731
Email: bomee@astro.umass.edu

Arjen van der Wel
Max Planck Institute for Astronomy
Heidelberg, Germany
Tel: +49-6221-528-461
Email: vdwel@mpia.de

Mauro Giavalisco
University of Massachusetts
Massachusetts, USA
Tel: +1-413-545-4767
Email: mauro@astro.umass.edu

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

 

사진5>

The Hubble Tuning Fork - Classification of Galaxies

Galaxies are very important fundamental building blocks of the Universe. Some are simple, while others are very complex in structure. As one of the first steps towards a coherent theory of galaxy evolution, the American astronomer Edwin Hubble, developed a classification scheme of galaxies in 1926. Although this scheme, also known as the Hubble tuning fork diagram, is now considered somewhat too simple, the basic ideas still hold.

The diagram is roughly divided into two parts: elliptical galaxies (ellipticals) and spiral galaxies (spirals). Hubble gave the ellipticals numbers from zero to seven, which characterize the ellipticity of the galaxy - "E0" is almost round, "E7" is very elliptical.

The spirals were assigned letters from "a" to "c," which characterize the compactness of their spiral arms. "Sa" spirals, for example, are tightly wound whereas "Sc" spirals are more loosely wound. Also it is worth noting that the sizes of the round central regions in spirals - the so-called bulges - increase in size the more tightly the spiral arms are wound. There are indications pointing to a very close connection between the bulges of certain galaxies (Hubble types "S0", "Sa" and "Sb") and elliptical galaxies. They may very well be similar objects.

In fact the spiral galaxies are sub-divided into two groups - normal spirals and barred spirals. The most important difference between these two groups is the bar of stars that runs through the central bulge in barred spirals. The spiral arms in barred spirals usually start at the end of the bar instead of from the bulge. Barred spirals have a "B" in their classification. An "SBc" is thus a loosely wound barred spiral galaxy.

"S0," or lenticular galaxies, are in the transition zones between ellipticals and spirals and bridge these two types.

Hubble found that some galaxies are difficult to put in the context of the tuning fork diagram. Those include irregular galaxies which have odd shapes, dwarf galaxies which are very small, and giant elliptical galaxies which are very large elliptical galaxies residing in the centers of some clusters of galaxies.

For a time the Hubble tuning fork was thought to be an evolutionary sequence - that galaxies might evolve from one type to another progressing from left to right across the tuning-fork diagram. Hence "Sa" and "SBa" galaxies were called "early-type," while "Sc" and "SBc" were called "late-type."

Astronomers still use this nomenclature today, though the initial concept was later found to be an over-simplification. Galaxy evolution is a far more complex process than Hubble imagined, involving the conditions of the galaxy's initial collapse, collisions with other galaxies, and the ebb and flow of internal star birth.

 

Credit:

NASA & ESA