The Frontier Fields

 

Credit:   NASA ,  ESA , and J. Lotz and M. Mountain ( STScI )

 

사진1> 이 사진들은 프론티어 필드(The Frontier Fields)라고 명명된 새로운 관측 프로그램의 관측 대상으로 선정된 4개의 은하단을 촬영한 것으로 허블 우주망원경이 촬영한 자연색 사진이다.

NASA의 훌륭한 망원경들이 지금까지 촬영된 우주보다 훨씬 더 깊은 우주를 촬영하기 위해 팀을 이루었다. 
우주에서 발견되는 자연 돋보기 현상을 이용하여, 허블 우주망원경과 스피처 우주망원경, 그리고 찬드라 우주 망원경은 일반적으로 자신들이 관측할 수 있었던 천체보다 100배 이상 더 희미한 은하들을 찾아낼 수 있을 것이다.
이 은하단의 중력장은 중력렌즈 현상이 아니었다면 관측할 수 없었을, 훨씬 멀리 떨어진 뒷편의 은하들을 확대하고 더 밝게 만들어 줄 것이다.

중력렌즈로서 사용될 은하단의 거리는 지구로부터 30억광년에서 50억 광년 사이의 은하단 들이다.

 

The full news release story:

 

NASA의 위대한 망원경들이 지금까지 관측해온 우주보다 훨씬 먼 우주를 들여다보기 위해 팀을 이루었다.
우주에서 발견되는 자연 돋보기 현상을 이용하여, 허블 우주망원경과 스피처 우주망원경, 그리고 찬드라 우주 망원경은 일반적으로 자신들이 관측할 수 있었던 천체보다 100배 이상 더 희미한 은하들을 찾아낼 수 있을 것이다.
 

이러한 열정가득한 협동 프로그램은 '프론티어 필드(The Frontier Fields)'라 명명되었다.

 

천문학자들은 향후 3년동안 6개의 거대 질량을 가진 은하단을 관측하게 될 것이다.
과학자들은 이들 은하단 내부에 무엇이 있는가라는 질문 뿐 아니라, 그 뒷편에는 무엇이 있는가라는 질문에도 흥미를 가지고 있다.

 

이 은하단의 중력장은 중력렌즈 현상이 아니라면 관측할 수 없을, 그 뒷편의 은하들을 확대하고 더 밝게 만들어 줄 것이다.

 

이 은하단 하나하나는 지금까지 알려진 물질들의 조합체로는 가장 무거운 천체에 속하는 은하단들이다.

 

천문학자들은 이전에는 전혀 볼 수 없었던, 우주의 나이가 고작 몇 억년 정도밖에 안됐을 때 존재했던 은하들을 밝혀내기 위한 관측에 참여하고 있다.

 

허블과 스피처 우주망원경으로 관측한 자료들을 조합하여, 독자적으로 관측을 수행했을 때 얻을 수 있는 측정치보다 훨씬더 정확하게 은하까지의 거리와 질량을 측정하게 될 것이므로 이번 연구는 이들 망원경들이 협조를 했을 때 얻을 수 있는 시너지 효과를 잘 보여주게 될 것이다.

 

찬드라 X선 망원경 역시 관측 지역을 함께 들여다보며, 거대질량의 블랙홀을 담고 있는 뒷편 은하를 식별하는 것뿐 아니라, 중력렌즈 작용을 수행하는 은하단의 질량과 중력렌즈의 강도를 파악하기 위한 X선 파장 데이터를 제공하게 될 것이다.

 

볼티모어 우주망원경과학연구소(이하 STScI)의 수석 연구원인 제니퍼 라츠(Jennifer Lotz)의 설명은 다음과 같다.
"우주에서 발생하는 자연 망원경과 우리가 가진 훌륭한 망원경을 조합하려는 아이디어는 
 이러한 방법을 사용할 경우 이전에 우리가 발견해온 가장 멀리 떨어진 천체들보다 훨씬 멀리까지를 바라볼 수 있을거라는 생각에서 나왔답니다."

 

프론티어 필드 프로그램의 스피처 수석 연구원인 피터 케이팩(Peter Capak)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 우주에서 어떻게 처음 별들과 은하들이 만들어졌으며, 이것들이 만들어진 때는 언제인지를 알고 싶습니다.
 각각의 망원경들은 이러한 수수께끼에 대해 단편적인 지식들을 제공해 주고 있죠.
 허블우주망워경은 은하들을 관측하며 얼마나 많은 별들이 그곳에서 탄생하고 있는지를 보여주고 있습니다.
 그리고 스피처 우주망원경은 그 은하가 얼마나 오래된 은하인지, 얼마나 많은 별들을 만들어왔는지를 얘기해 주고 있죠."

 

프론티어 필드 프로그램으로 부터 획득될 허블의 초고해상도 데이터는 은하단에 존재하는 암흑물질의 분포를 추적하는데도 사용될 것이다.

우주질량의 상당부분을 차지하는 암흑물질은 은하들을 서로 묶어주고 있는 기반이자 눈에 보이지 않는 발판과 같다.

 

라츠의 설명은 다음과 같다.
"중력렌즈 효과를 통해 확대된 은하들의 겉보기 위치를 확인하면 그 은하단 자체에 무슨 일이 일어나고 있으며, 그 은하단내 어디에 암흑물질들이 위치하고 있는지를 알 수 있게 됩니다. 우리는 은하단에 대해 보다 진전된 모델을 만들고 중력렌즈 효과를 발휘하는 힘을 더 잘 이해하기 위해 그 정보들을 활용할 겁니다."

 

허블과 스피처 우주망원경을 통한 관측은 과학자들이 이들 강력한 관측 기구들을 이용하여 훌륭하게 수행해왔던 깊은 우주에 대한 이전 연구들보다도 더더욱 강력한 도전이 될 것이다.

 

라츠의 설명이 이어진다.
 "깊은 우주를 촬영한 사진들과 함께 우리가 취득한 사진에서 우리는 직접적으로 대상을 촬영한 모습을 보게 됩니다.
  그러나 중력 렌즈효과를 이용하면 뒷편에 위치한 은하들은 뒤틀리고 훨씬 밝아진 모습을 볼 수 있게 되죠.
  이 은하들의 진정한 속성을 이해하기 위해서는 이것들이 어떻게 뒤틀려지고 어떻게 확대되었는지를 이해해야만 합니다.
  이것은 전적으로 중력렌즈 효과를 발생시키는 앞쪽 은하단의 암흑물질 분포가 어떠하느냐에 달려있죠."
 
이전에 허블 울트라 딥 필드에서 관측된 은하들은 그 당시 시대에서는 가장 무거운 질량을 가진 은하들이었다.

이 은하들에 대해 라츠는, 이 은하들은 빙산의 일각이며, 만약 우리 은하와 같은 은하로 변화되어온 은하를 보길 원한다면 우리는 훨씬 희미한 은하를 찾아야 한다고 맗샜다.

 

자연이 제공해 주는 이 거대한 망원경이 아니라면 천문학자들은 제임스 웹 우주망원경만을 기다려야만 했을 것이다.
사실 프론티어 필드는 2018년 발사 예정인 제임스 웹 우주망원경이 일상적으로 바라보게 될 곳을 미리 슬쩍 바라보는 것이라 할 수 있다.

 

허블 프론티어 필드 프로그램은 앞으로 허블우주망원경이 어떤 일을 하는 것이 중요한 일일까를 생각한 STScI의 고위층 토론에 의해 태동되었다.

 

여러 딥필드 관측에도 불구하고 천문학자들은 원거리 우주에 대해서 여전히 알아야 할 것이 많다는 것을 깨닳았다.
그리고 그 영역에서 획득된 지식은 제임스 웹 우주망원경의 관측 전략을 설계하는데 도움이 될 것이다.

 

좀더 깊은 우주를 관측하는 것이 과학적으로 단순히 흥미거리인 것인지 아니면 긴급한 것인지 여부에 대해 좀더 나은 평가를 얻기 위해 STScI는 "허블 딥 필드 사업" 실무그룹을 발족하였으며 여기에는 미국과 유럽에서 우주망원경들을 활용하여 관측을 수행했던 전문가들이 포함되었다.

 

천문학자들은 또한 스피처 우주망원경이나 찬드라 X선 망원경, 그리고 ALMA와 같은 다른 첨단관측기구들과의 협업을 통한 시너지 효과를 고려하였다.

 

STScI 의 소장인 맷 마운틴(Matt Mountain)은 그의 재량권하에서 부여할 수 있는 망원경들의 사용시간을 이 프로그램에 일임했다.

 

이번달에 처음으로 관측될 대상은 판도라의 은하단이라 불리는 Abell 2744이다.

 

Credit:   NASA ,  ESA , and R. Dupke (Eureka Scientific, Inc.), et al.

 

사진2> Abell 2744, 판도라 은하단(Pandora's Cluster)

 

이 은하단은 이전에 우주망원경들에 의해 관측된 바 있는 은하단이지만 이번 새로운 관측에서 추진하는 계획처럼 깊은 노출이 수행되지는 않았었다.

이 거대 은하단은 최소한 4개의 서로 다른 소규모의 은하단들이 3억 5천만년이라는 시간에 걸쳐 동시에 뭉쳐진 결과로 형성된 은하단이다.

* 출처 : 허블사이트 2013년 10월 24일 발표 뉴스
           http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2013/44/

 

원문>

 

사진1>

Image: Frontier Fields Target Galaxy Clusters

ABOUT THIS IMAGE:

These are NASA Hubble Space Telescope natural-color images of four target galaxy clusters that are part of an ambitious new observing program called The Frontier Fields. NASA's Great Observatories are teaming up to look deeper into the universe than ever before. With a boost from natural "zoom lenses" found in space, they should be able to uncover galaxies that are as much as 100 times fainter than what the Hubble, Spitzer, and Chandra space telescopes can typically see. The gravitational fields of the clusters brighten and magnify far-more-distant background galaxies that are so faint they would otherwise be unobservable. The foreground clusters range in distance from 3 billion to 5 billion light-years from Earth.

Object Names: Abell 2744, Pandora's Cluster, MACS J0416.1-2403, MACS J0717.5+3745, MACS J1149.5+2223

Image Type: Astronomical/Annotated

 

Credit: NASA, ESA, and J. Lotz and M. Mountain (STScI)

 

NASA's Great Observatories Begin Deepest Ever Probe of the Universe

The full news release story:

NASA's Great Observatories are teaming up to look deeper into the universe than ever before. With a boost from natural "zoom lenses" found in space, they should be able to uncover galaxies that are as much as 100 times fainter than what the Hubble, Spitzer, and Chandra space telescopes can typically see.

This ambitious collaborative program is called The Frontier Fields. Astronomers will spend the next three years peering at six massive clusters of galaxies. Researchers are interested not only as to what's inside the clusters, but also what's behind them. The gravitational fields of the clusters brighten and magnify distant background galaxies that are so faint they would otherwise be unobservable.

The clusters themselves are among the most massive assemblages of matter known.

Astronomers anticipate that these observations will reveal populations of never-before-seen galaxies that existed when the universe was only a few hundred million years old. The Hubble and Spitzer data will be combined to measure the galaxies' distances and masses more accurately than either observatory could measure alone, demonstrating the synergy of these Great Observatories for such studies. The Chandra X-ray Observatory will also peer deep into the fields, imaging them at X-ray wavelengths to help determine the masses and lensing power of the clusters, as well as identify background galaxies with massive black holes.

"The idea is to use nature's natural telescopes in combination with the Great Observatories to look much deeper than before and find the most distant and faint galaxies we can possibly see," said principal investigator Jennifer Lotz of the Space Telescope Science Institute (STScI) in Baltimore, Md.

"We want to understand when and how the first stars and galaxies formed in the universe, and each Great Observatory gives us a different piece of the puzzle. Hubble tells you which galaxies to look at and how many stars are being born in those systems. Spitzer tells you how old the galaxy is and how many stars have formed," said Peter Capak, the Spitzer principal investigator of the Frontier Fields program.

The high-resolution Hubble data from the Frontier Fields program will also be used to trace the distribution of dark matter within the foreground clusters. Accounting for the bulk of the universe's mass, dark matter is the underlying, invisible scaffolding attached to galaxies. "The apparent positions of those lensed galaxies then tell you what's happening with the cluster itself, where the dark matter is in that cluster," Lotz said. "We'll use that information to make a better model of the cluster to better understand its lensing power."

The Hubble and Spitzer observations will be much more challenging for researchers than previous deep fields that have been studied by this powerful pair of observatories with great success. "With a deep image, you've got a direct image — what you see is what you get. But when we use a gravitational lens, background galaxies appear distorted and brighter," Lotz said. "In order to understand the true properties of a background galaxy, you have to understand how it is distorted and how it is magnified. This depends on the distribution of dark matter in the gravitational lens — the foreground cluster."

What's more, the galaxies seen in previous ultra-deep fields are just the most massive at those epochs. "They are the tip of the iceberg. If you want to see the galaxies that will turn into ones like our Milky Way, you have to go much fainter," Lotz said. Without using the big natural telescopes in space, astronomers would have to wait for the James Webb Space Telescope. In fact, the Frontier Fields offer a sneak peek of what the Webb telescope will routinely see anywhere it points in space, when it is launched in 2018.

The Hubble Frontier Fields initiative grew out of high-level discussions at STScI concerning what important, forward-looking science Hubble should be doing in upcoming years. Despite several deep field surveys, astronomers realized that a lot was still to be learned about the distant universe. And, such knowledge would help in planning the observing strategy for the Webb telescope.

To get a better assessment of whether doing more deep field observations was scientifically interesting or urgent, STScI chartered a "Hubble Deep Field Initiative" working group, which included U.S. and European astronomers who were expert users of the Great Observatories. The astronomers also considered synergies with other observatories, such as Spitzer, Chandra, and the new Atacama Large Millimeter Array. STScI Director Matt Mountain allocated his director's discretionary time to the program.

The first object to be looked at this month is called Pandora's Cluster (Abell 2744), which has been previously observed by all three Great Observatories but not to the depth of the new observations. The giant galaxy cluster appears to be the result of a simultaneous pile-up of at least four separate, smaller galaxy clusters that took place over a span of 350 million years.

Join several members of the Frontier Fields collaboration during the live Hubble Hangout event at 4:00pm (EDT) on Thursday, October 24 to discuss more on what's to come from these observations, how the clusters were chosen, and what we hope to learn from them. Visit: https://plus.google.com/u/0/events/cpl8pr6rjvls7en3c9ltrgelc80 .

CONTACT

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

Jennifer Lotz
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4467
lotz@stsci.edu