가장 멀리 떨어진 중력렌즈 은하의 기록을 경신하다.

 

사진1> 이 사진은 지금까지 발견된 중력 렌즈 현상 중 가장 멀리 떨어진 천체를 촬영한 것이다.
          사진 중앙의 불꽃은 보통 은하의 중심부에서 발생하는 것이다.
          우연하게도 이 천체는 훨씬 멀리 떨어진, 새로운 별들을 만들어내고 있는 어린 은하와 정확하게 일렬로 정렬하고 있었다.
          이 훨씬 멀리 떨어진 천체로부터 발생한 빛이 강력한 중력을 행사하는 천체 주변에서 구부러지면서 여러 사진에서 고리를 형성하고 있었다.
          이와 같이 정확한 정렬을 이루고 있는 은하를 발견하는 기회는 매우 드문 일로서, 이는 예상과 달리 초기 우주에서 별들을 생성하는 은하들이

          훨씬 더 많이 존재하고 있었음을 의미한다.

 

 

 

 

가장 멀리 떨어진 중력렌즈 은하가 은하의 질량 측정 방법을 검증하다. -  그러나 더더욱 깊어진 우주의 미스터리

 

 

국제연구팀이 중력 렌즈를 통해 관측되는 은하로서는 지금까지 발견된 은하 가장 멀리 떨어져 있는 은하를 발견했다.
중력렌즈 현상은 아인슈타인이 일반상대성이론에서 예견한 것으로 훨씬 멀리 떨어진 천체의 빛이 굴절되고 강화되는 현상을 말한다.
이번 발견은 멀리 떨어진 은하의 질량을 정확하게 측정할 수 있는 희귀한 기회를 제공해 주었다.
그러나 이 현상은 또하나의 미스테리를 만들기도 한다. 이런 종류의 렌즈현상은 너무나도 가능성이 희박한 현상이기 때문이다.
이번 발견과 최근에 이루어진 다른 발견들을 볼 때, 천문학자들은 지나치게 운이 좋았던 것일 수도 있고, 아니면 초기 우주의 매우 어린 은하들의 숫자를 지나치게 과소평가해왔던 것일수도 있다.

 

빛은 중력의 영향을 받기 때문에 멀리 떨어진 은하를 통과하는 빛은 중력에 의해 굴절된다.
1979년 처음으로 중력 렌즈 현상이 발견된 이래 이와 같은 중력렌즈 현상은 수도 없이 발견되었다.
아인슈타인의 일반 상대성 이론에 대한 실험기회에 덧붙여 중력 렌즈 현상은 상당히 유용한 도구 기능도 제공해왔다.

 

특히 학자들은 빛의 굴절을 통해 아직도 수수께끼로 남아 있는 암흑 물질의 질량을 포함한, 물질들의 질량을 결정할 수 있다.
암흑 물질은 일체 빛을 흡수하거나 복사하지 않으며 오직 중력 효과를 통해서만 빛에 영향을 미치는 물질이다.

 

 

중력 렌즈 현상은 또한 빛의 근원이 된 천체를 확대하는 '자연 망원경'처럼 행동함으로써, 천문학자들로 하여금 일반적으로 가능한 것보다 훨씬 더 멀리 있는 천체에 대한 상세한 측정을 가능하게 해주고 있다.

 

중력렌즈 현상은 두 개의 천체로 구성된다 : 하나는 멀리 떨어져 있는, 빛의 근원이 되는 천체이며 다른 하나는 우리와 그 멀리 떨어진 천체사이에 위치하고 있으면서 빛에 중력영향을 행사하여, 중력렌즈 현상을 만들어내는 천체이다.

 

 

관측자와 중력렌즈 그리고 멀리 떨어진 빛의 근원이 되는 천체가 정확하게 일렬로 도열하게 되면 관측자는 아인슈타인의 고리를 보게 된다.
아인슈타인의 고리는 빛이 완벽한 고리를 이루는 현상으로 이 빛은 멀리 떨어진 빛의 근원이 되는 천체의 모습을 훌륭하게 확대시켜 보여주는 것이라 할 수 있다.

 

최근 천문학자들은 중력렌즈 현상을 통해 발견된 천체로는 가장 멀리 떨어진 천체를 발견했다.

 

이번 논문의 수석저자인 독일 하이델베르그 막스플랑크 천문연구소의 아르헨 반더벨(Arjen van der Wel)의 설명은 다음과 같다.
"이번 발견은 전적으로 우연히 이루어진 것이랍니다.
 저는 명백히 이상한 모습을 띤 은하에 주목했고 이전 연구로부터 도출된 자료들을 재검토하고 있었죠.
 이 은하는 극단적으로 어린 은하처럼 보였지만 예상보다도 훨씬 멀리 떨어져 있는 은하처럼 보이기도 했어요.
 이 은하는 우리 관측 프로그램의 대상도 아니었답니다."
 

반더벨은 더 많은 자료를 찾길 원했고, 허블 우주망원경이 CANDELS와 COSMOS 서베이 프로그램의 일환으로 촬영한 자료들을 연구하기 시작했다.
사진들에서 이 수수께끼의 천체는 매우 오래된 은하처럼 보였고, 이는 원래 관측 프로그램에서는 그럴듯한 관측대상처럼 보이기도 했다.
그런데 여기에는 그로서는 의심을 할 수밖에 없는 몇몇 예상을 벗어나는 요소들이 존재했고, 이는 곧 그가 중력 렌즈 현상을 보기 때문에 발생하는 것이었다.

 

 

몇몇 쓸만한 이미지들을 합성하고 이 은하에 밀집된 별들로부터 발생한 잡음들을 제거한 결과는 매우 확실했다.
이것은 거의 완벽한 아인슈타인의 고리였던 것이다.
이는 이 중력렌즈 현상을 일으키는 은하가 그 뒷편에 위치한 빛의 근원이 되는 천체와 정확하게 정렬하고 있음을 알려주는 것이었다.[1]
 

이 중력렌즈 질량체는 너무나 멀리 떨어져 있어서 빛이 굴절된 이후에도 무려 94억년이나 더 달려서야 우리에게 도착한 것이었다.

 

이것은 새로운 기록일 뿐만 아니라 이 중력렌즈 작용을 하는 천체가 매우 중요한 목적으로도 사용될 수 있다는 의미가 있었다.
: 중력렌즈 은하에 의해 휘어진 빛의 양은 중력렌즈 작용을 하는 은하의 질량도 정확하게 측정가능하게 해주기 때문이다.

 

 

이러한 기회는 천문학자들이 일반적으로 원거리 은하의 질량을 측정하는 방법인, 근처의 유사한 은하들의 질량을 근거로 추정하는 방법을 독립적으로 테스트할 수 있는 기회를 제공하는 것이었다.
그리고 운좋게도 천문학자들이 사용하는 일반적인 방법은 이 테스트를 통과하였다.

 

그러나 이번 발견은 또 하나의 수수께끼를 던져주었다.

 

 

중력 렌즈 현상은 우연히 이루어진 정렬의 결과이다.
그러나 이번 정렬양상은 너무나도 꼭 들어맞는 양상을 보이고 있었다.

 

설상가상으로 중력렌즈에 의해 확대된 천체는 새로운 별들을 폭발적으로 생성해내는 왜소은하였다.
이 은하는 상대적으로 가벼운 은하였지만(태양질량 1억개에 해당하는 질량을 별의 형태로 가지고 있다.[3]) 극단적으로 어린 연령을 가지고 있었으며(약 1천만년에서 4천만년 정도) 너무나도 엄청난 비율로 새로운 별들을 만들어내고 있는 은하였다.

 

 

이와 같은 특이한 은하가 중력렌즈로 그 모습을 드러낼 확률은 매우 작다.

지금까지 이 은하는 폭발적으로 별들을 생성해 내는 왜소은하가 중력렌즈로 목격된 사례로는 두번째에 해당하는 경우이다.

 

천문학자들은 놀랍도록 운이 좋은 것이거나 아니면 폭발적으로 별들을 생성하는 왜소은하가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 일반적인 현상이어서
천문학자들로 하여금 은하진화모델을 재검토해야 하거나 중 하나를 선택해야 하는 상황에 맞닥뜨린 것이다.  

 

 

반더벨의 결론은 다음과 같다.
 "이번 발견은 너무나 괴상하기도 하고 너무나 흥미롭기도 한 발견입니다.
  너무나 우연하게 발견된 천체이긴 하지만 초기 우주에서 은하의 진화에 대한 우리의 연구에 새로운 페이지를 여는 가능성을 가지고 있는 것 같습니다."

 

각주
[1] 이 두 개 천체가 갖는 정렬 각도는 0.01각초 이하의 수준으로 이는 20킬로미터 거리에서 바라본 1미리 간극 정도에 대응된다.
[2] 이 시대의 적색 편이는 z값 1.53에 대응된다.  이 값은 우주의 총 나이인 138억년과 비견될만한 수치이다.
      이전 기록은 30년전에 발견된 천체로서 그 거리는 80억년에 채 미치지 못하는 거리였다.(적색편이 값은 약 1.0)

[3] 우리 은하와 비교하자면 우리 은하는 거대한 나선은하로서 이 왜소은하보다 최소한 1천배 이상의 질량을 별의 형태로 가지고 있는 은하이다.

 
 * 출처 : 유럽우주국(ESA) 허블 2013년 10월 17일 발표 뉴스

    http://www.spacetelescope.org/news/heic1319/

 

사진1>

The most distant gravitational lens yet discovered

This picture from the NASA/ESA Hubble Space Telescope shows the most distant gravitational lens yet discovered. The glow at the centre of this picture is the central regions of a normal galaxy. By chance it is precisely aligned with a much more remote, young star-forming galaxy. The light from the more distant object is bent around the nearer object by its strong graviational pull to form a ring of multiple images. The chance of finding such an exact alignment is very small, suggesting that there may be more star-forming galaxies in the early Universe than expected.

 

Credit:

 

NASA/ESA/A. van der Wel

 

 

Most distant gravitational lens helps weigh galaxies

but deepens a galactic mystery

17 October 2013

 

An international team of astronomers has found the most distant gravitational lens yet — a galaxy that, as predicted by Albert Einstein’s general theory of relativity, deflects and intensifies the light of an even more distant object. The discovery provides a rare opportunity to directly measure the mass of a distant galaxy. But it also poses a mystery: lenses of this kind should be exceedingly rare. Given this and other recent finds, astronomers either have been phenomenally lucky — or, more likely, they have underestimated substantially the number of small, very young galaxies in the early Universe.

Light is affected by gravity, and light passing a distant galaxy will be deflected as a result. Since the first find in 1979, numerous such gravitational lenses have been discovered. In addition to providing tests of Einstein's theory of general relativity, gravitational lenses have proved to be valuable tools. Notably, one can determine the mass of the matter that is bending the light — including the mass of the still-enigmatic dark matter, which does not emit or absorb light and can only be detected via its gravitational effects. The lens also magnifies the background light source, acting as a "natural telescope" that allows astronomers a more detailed look at distant galaxies than is normally possible.

Gravitational lenses consist of two objects: one is further away and supplies the light, and the other, the lensing mass or gravitational lens, which sits between us and the distant light source, and whose gravity deflects the light. When the observer, the lens, and the distant light source are precisely aligned, the observer sees an Einstein ring: a perfect circle of light that is the projected and greatly magnified image of the distant light source.

Now, astronomers have found the most distant gravitational lens yet. Lead author Arjen van der Wel (Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Germany) explains: "The discovery was completely by chance. I had been reviewing observations from an earlier project when I noticed a galaxy that was decidedly odd. It looked like an extremely young galaxy, but it seemed to be at a much larger distance than expected. It shouldn't even have been part of our observing programme!”

Van der Wel wanted to find out more and started to study images taken with the Hubble Space Telescope as part of the CANDELS and COSMOS surveys. In these pictures the mystery object looked like an old galaxy, a plausible target for the original observing programme, but with some irregular features which, he suspected, meant that he was looking at a gravitational lens. Combining the available images and removing the haze of the lensing galaxy's collection of stars, the result was very clear: an almost perfect Einstein ring, indicating a gravitational lens with very precise alignment of the lens and the background light source [1].

The lensing mass is so distant that the light, after deflection, has travelled 9.4 billion years to reach us [2]. Not only is this a new record, the object also serves an important purpose: the amount of distortion caused by the lensing galaxy allows a direct measurement of its mass. This provides an independent test for astronomers' usual methods of estimating distant galaxy masses — which rely on extrapolation from their nearby cousins. Fortunately for astronomers, their usual methods pass the test.

But the discovery also poses a puzzle. Gravitational lenses are the result of a chance alignment. In this case, the alignment is very precise. To make matters worse, the magnified object is a starbursting dwarf galaxy: a comparatively light galaxy (it has only about 100 million solar masses in the form of stars [3]), but extremely young (about 10-40 million years old) and producing new stars at an enormous rate. The chances that such a peculiar galaxy would be gravitationally lensed is very small. Yet this is the second starbursting dwarf galaxy that has been found to be lensed. Either astronomers have been phenomenally lucky, or starbursting dwarf galaxies are much more common than previously thought, forcing astronomers to re-think their models of galaxy evolution.

Van der Wel concludes: "This has been a weird and interesting discovery. It was a completely serendipitous find, but it has the potential to start a new chapter in our description of galaxy evolution in the early Universe."

Notes

[1] The two objects are aligned to better than 0.01 arcseconds — equivalent to a one millimetre separation at a distance of 20 kilometres.

[2] This time corresponds to a redshift z = 1.53. This can be compared with the total age of the Universe of 13.8 billion years. The previous record holder was found thirty years ago, and it took less than 8 billion years for its light to reach us (a redshift of about 1.0).

[3] For comparison, the Milky Way is a large spiral galaxy with at least one thousand times greater mass in the form of stars than this dwarf galaxy.

Notes for editors

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

The work described here has been published as van der Wel et al., "Discovery of a quadruple lens in CANDELS with a record lens redshift z = 1.53" , in Astrophysical Journal Letters.

The team is composed of Arjen van der Wel, Glenn van de Ven, Michael Maseda, Hans-Walter Rix (all Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg, Germany [MPIA]), Gregory Rudnick (University of Kansas, USA; MPIA), Andrea Grazian (INAF), Steven Finkelstein (University of Texas at Austin, USA), David Koo, Sandra M. Faber (both University of California, Santa Cruz, USA), Henry Ferguson, Anton Koekemoer, Norman Grogin (all STScI, Baltimore, USA) and Dale Kocevski (University of Kentucky, USA).

Links

• Research paper
• Images of Hubble

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Heidelberg, Germany
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