우리 은하가 형성되어온 수십억년 세월의 단계, 단계를 추적하다.

 

Credit: NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale University), S. Patel (Leiden University), and the 3D-HST Team

사진 1> 이 사진은 110억년의 시간에 걸쳐 우리 은하와 같은 은하들이 진화되어온 과정의 다양한 단계를 보여주고 있다.

           사진에서 은하들은 시간 순으로 나열되어 있다.

           왼쪽은 최근의 은하들의 모습이 그리고 오른쪽 끝에는 우주의 나이가 20억년 정도였던 시절의 은하들이 위치하고 있다.

           오른쪽 은하들에서는 어린 별들이 뿜어내는 파란색 색체가 우세하게 나타나 있는 반면 왼쪽의 은하들은 오래된 별들이 뿜어내는 붉은빛이 나타나고 있다.

           천문학자들은 멀리 떨어진 은하들을 3D-HST와 CANDELS 프로그램을 통해 발견하였으며
           연구는 허블의 WFC3와 ACS로부터 취득된 가시광선 및 근적외선 자료를 이용하여 수행되었다.

           지근거리의 은하는 SDSS를 통해 촬영되었다.

           이 사진은 우리 은하와 같은 은하들이 진화되어온 역사의 거의 대부분을 담고 있다.
           허블의 고해상도는 이 은하들의 형태를 밝혀주었으며, 은하의 팽대부와 원반이 함게 성장해 왔다는 사실을 알려주었다.

The full news release story: 

허블우주망원경이 우리 은하가 오늘날 보이는 거대한 나선은하와 같은 모습으로 어떻게 조립되어 왔는지에 대한 시각적 증거를 처음으로 제공해 주었다.

허블의 깊은 우주를 관측한 자료를 자세히 조사하여 천문학자들은 110억년의 시간을 걸쳐 우리 은하와 유사한 400개 은하들의 다양한 구축 과정을 추적하였다.

 

이번 연구의 공동 책임자인 예일 대학의 G.반 도쿰(G. van Dokkum)의 설명은 다음과 같다.
"우리는 사상 최초로 우리 은하가 과거의 어떤 모습이었는지를 직접 촬영할 수 있었습니다.  물론 우리는 우리 은하의 과거를 직접 볼 수는 없습니다.
 우리는 수십억 광년 거리에 있는, 우리 은하와 같은 진화를 겪게 될 은하들을 선택했습니다.
 그리고 이 은하들을 추적하여 우리 은하의 90퍼센트를 차지하는 별들이 지난 110억년에서 70억년 사이에 형성되었다는 것을 알아냈습니다. 
 이러한 결과는 이전에는 직접적으로 측정된 바 없는 결과입니다."

 

허블 우주망원경의 초고해상도 기능이 연구자들로 하여금 오랜 시간동안 우리은하의 구조가 어떻게 변화되어 왔는지를 측정할 수 있게 해 주었다.

 

우리 은하의 모델은 달걀 프라이를 통해 상상해볼 수 있다.

달걀의 흰자는 태양과 지구가 담겨 있는 원반이다.

노른자는 오래된 별들과 은하 중심 팽대부로 비유될 수 있다.
이곳은 지난 오랜 세월동안 우리 은하와 함께 성장해왔을 거대 블랙홀의 집이기도 하다.

 

허블이 촬영한 사진들은 우리 은하의 평평한 원반과 중심 팽대부가 동시에 오늘날의 거대한 나선은하로서 성장해왔다는 사실을 보여주고 있다.

 

이번 연구의 공동책임자인 네덜란드 라이덴 대학의 샤논 파텔(Shannon Patel)은 이 사진에 보이는 은하들이
모두 솜털같은 것에 둘러싸여 있고 넓게 퍼져 있는 모습을 볼 수 있을 것이라고 말했다.

연구팀의 일원인 예일대학의 에리카 넬슨(Erica Nelson)이 덧붙이는 설명은 다음과 같다.
"중심 팽대부가 주변을 둘러싼 원반보다 먼저 형성되었다는 증거는 어디에도 없습니다.
 이 은하들은 우리 은하가 한꺼번에 동시에 성장해왔다는 것을 보여주고 있죠.
 이러한 사실은 중심 팽대부가 먼저 형성되는 더 무거운 타원은하들과는 다른 모습이랍니다."

 

이번 연구를 통해 수십억년 전 우리 은하는 별들을 만들어낼 연료가 되는 가스를 많이 포함하고 있는 희미하고 푸른색을 띤, 질량이 낮은 천체였을 것이라는 점을 알게 되었다.

 

 

 

 

Credit: NASA, ESA, and Z. Levay (STScI)

사진 2>110억년의 세월이 만들어낸 우리 은하의 차이를 이 두 개의 사진에서 비교해 볼 수 있다. 
          윗쪽 사진은 오늘날 우리가 보는 우리 은하의 모습이며, 아래 사진은 머나먼 과거에 보였을 우리 은하의 모습을 담고 있다.

          이 포토일러스트레이션은 우리 은하와 같은 은하의 진화 양상을 연구한 허블 우주망원경의 관측 자료를 근거로 제작되었다.

 

          상단사진 : 오늘날 밤하늘에서는 주로 하얀색 빛을 뿜어내는 중년단계의 수많은 별들이 우리은하를 따라 도열하고 있다.
                         그리고 이 별들이 도열하고 있는 선을 따라 두꺼운 먼지대역이 가로지르고 있는 모습을 보여주고 있다. 
                         이들은 분홍빛을 복사해내고 있는, 지금도 별들을 계속 만들어내고 있는 성운들과 함께 어우러져 있다.
                         수천개의 별들이 밤하늘을 함께 장식하고 있다.

          하단사진 : 이 포토일러스트레이션은 대략 110억년전 가상의 행성에서 바라본 우리 은하의 모습이 어땠을지를 상상해본 것이다. 
                         밤하늘은 오늘날 바라보는 모습과는 사뭇 다른 모습을 띠고 있다. 
                         우리 은하가 구성되는 초기 단계이기 때문에 은하원반과 팽대부는 훨씬 작고 희미하게 보인다. 
                         하늘은 새로 탄생하는 별들의 불꽃에 휘감겨 있으며
                         여전히 고치속에 잠겨 있는 별들에 의해 불타오르고 있는 분홍색의 성운들이 가득찬 모습을 보여주고 있다. 
                        눈에 보이는 몇몇 별들은 아직 매우 어리기 때문에 파란색으로 매우 밝게 빛을 내고 있다.

 

          오늘날의 은하를 보여주는 그래픽은 알렉스 맬링거(Axel Mellinger)와 핑크바이너 전천 H-alpha 관측 자료에 근거하여 만들어졌다.
          110억년전의 하늘을 보여주는 포토일러스트레이션은 알렉스 맬링거(Axel Mellinger)의 전천 사진과 로버트 젠들러(Robert Gendler)가 촬영한

          M33 은하를 근거로 제작되었다.

 

고대의 우리 은하가 띤 파란색 색체는 빠르게 별들을 만들어낼 것이라는 단서이기도 하다.

별들의 생성이 절정을 이루었던 때는 우주의 나이가 약 40억년 정도 되었을 때인데, 이 때 우리 은하는 일년에 15개의 별들을 새로 만들어냈다.

오늘날 우리 은하가 만들어내는 별은 일년에 한 개 꼴이다.

 

광범위한 영역에 걸친 은하들을 식별해 내고 이들을 세밀하게 연구하는데 있어 연구팀은 3개의 허블관측 프로그램 자료를 활용하였다.
그 프로그램은 각각 3D-HST 서베이(허블우주망원경을 활용한 입체관측연구), CANDELS(the Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey, 근적외선을 활용한 깊은 우주의 은하와 우주조합 연구), GOODS(the Great Observatories Origins Deep Survey, 위대한 빛통들의 우주기원탐사를 위한 깊은 우주 관측)이다.

머나먼 우주를 연구한 이들 연구자료들은 허블의 WFC3와 ACS로부터 획득된 자료들로서 가시광선과 근적외선의 분광분석 자료들이 함께 활용되었다.

 

연구팀의 분석 대상으로는 은하들의 거리와 크기 측정자료들이 함께 포함되었다.

그리고 그 밝기와 색체를 통해 각 은하들의 질량이 계산되었다.

연구팀은 10만개가 넘는 은하들의 자료를 축적하여 이들을 목록화하고 여기에서 대상 은하들을 선정하였다.

이번 연구 결과는 진화 초기 단계의 나선은하에서 블랙홀을 품고 있었을 팽대부가 원반과 함께 몸집을 키워왔을 것이라는 컴퓨터 모델과 일치하는 결과를 보여주었다.

 

이번 연구팀의 일원인 예일대학 조엘 레자(Joel Leja)의 설명은 다음과 같다.
"이번 관측을 통해 우리는 우리 은하의 진화 과정 대부분의 모습을 촬영할 수 있었습니다.
 깊은 우주를 들여다 볼 수 있음으로해서 우리는 훨씬 더 작은 은하들을 볼 수 있었죠.
 이전에 우리가 볼 수 있었던 원거리의 은하는 매우 밝게 빛나는 은하에만 한정되어 있었습니다.

 그런데 이제는 보다 일반적인 형태의 은하들도 볼 수 있게 되었죠.
 허블 우주망원경은 우리에게 이 은하들의 거리뿐 아니라 각 나선은하들의 형태와 색체까지도 함께 알 수 있게 해 주었습니다.
 또한 우리는 이 은하들의 각 부분이 성장해온 비율도 측정할 수 있었죠.
 이 모든 것은 지상관측으로는 획득하기 어려운 자료들입니다."
 
이번에 관측된 은하들의 유아기적 모습이 어땠는지는 2018년으로 예정된 제임스 웹 우주망원경이 설치되면 적외선으로 관측이 가능하게 될 것이다.

 

허블의 사진들은 또한 나선은하간의 충돌이 은하의 몸집을 불리는데 그다지 중요한 사건이 아니라는 견해에 강력한 증거가 되기도 한다.

컴퓨터 시뮬레이션 결과는 나선은하들간의 충돌이 원반을 파괴시키는 원인이 됨을 보여주고 있다.

따라서 나선은하의 성장은 새롭게 별을 생성하는 사건들을 통해 이루어진다는 점을 보여주고 있다.

이러한 은하의 형성 시나리오는 무거운 타원은하들이 형성되어 가는 과정과는 다른 과정이다.

 

반 도쿰의 설명은 다음과 같다.
"이번 관측은 최소한 두 개의 은하 형성 모델이 있다는 것을 보여주고 있습니다.
 무거운 타원은하들은 초기 우주에서 매우 고밀도의 핵을 가지고 형성되었죠.
 여기에는 아마도 블랙홀이 있었을 거고요. 그리고 은하들간의 충돌을 통해 나머지 부분들이 차차 들러붙으면서 성장한 것이죠.
 그러나 우리 연구 결과는 우리 은하와 같은 나선은하들에서는 다른 형성과정이 있음을 보여주고 있습니다.
 이들은 단일한 경로를 통해 오늘날 우리가 보는 것과 같은 거대한 나선은하들로 성장한 것이죠."

 

연구팀의 연구결과는 2013년 7월 10일 Astrophysical Journal 에 개재되었다.

그리고 두번째 논문이 Astrophysical Journal 온라인 판에 11월 11일 개재되었다.

 

* 출처 : 허블사이트 2013년 11월 14일 발표 뉴스
           http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2013/45/
          

원문>

The full news release story:

NASA's Hubble Space Telescope has provided the first visual evidence showing how our home galaxy, the Milky Way, assembled itself into the majestic pinwheel of stars we see today.

Perusing Hubble's deep-sky surveys, astronomers traced 400 galaxies similar to our Milky Way at various stages of construction over a time span of 11 billion years.

"For the first time we have direct images of what the Milky Way looked like in the past," said study co-leader Pieter G. van Dokkum of Yale University in New Haven, Conn. "Of course, we can't see the Milky Way itself in the past. We selected galaxies billions of light-years away that will evolve into galaxies like the Milky Way. By tracing the Milky Way's siblings, we find that our galaxy built up 90 percent of its stars between 11 billion and 7 billion years ago, which is something that has not been measured directly before."

The Hubble telescope's superb resolving power allowed the researchers to study how the structure of the Milky Way changed over time. A scale model of the Milky Way can be imagined by envisioning a fried egg. The egg white is the disk, where the Sun and Earth reside. The yoke represents the central bulge of older stars, home to a supermassive black hole that must have also grown along with the galaxy.

The Hubble images suggest that our galaxy's flat disk and central bulge grew simultaneously into the majestic spiral galaxy of today. "You can see that these galaxies are fluffy and spread out," said study co-leader Shannon Patel, of Leiden University,  the Netherlands. "There is no evidence of a bulge without a disk, around which the disk formed later." Team member Erica Nelson, of Yale University, added: "These galaxies show us that the whole Milky Way grew at the same time, unlike more massive elliptical galaxies, in which the central bulge forms first."

The survey reveals that billions of years ago, the Milky Way was likely a faint, blue, low-mass object containing lots of gas, the fuel for star birth. The blue colors of the Milky Way ancestors are a signpost of rapid star formation. At the peak of star birth, when the universe was about 4 billion years old, the Milky Way-like galaxies were pumping out about 15 stars a year. By comparison, our galaxy today is creating only one star a year.

To identify the far-flung galaxies and study them in detail, the research team used three of the largest Hubble programs, the 3D-HST survey, the Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey or CANDELS, and the Great Observatories Origins Deep Survey or GOODS. These surveys of the distant universe combined spectroscopy with visible and near-infrared imaging by Hubble's Wide Field Camera 3 and Advanced Camera for Surveys. The research team's analysis involved measuring the galaxies' distances and sizes. The astronomers calculated the mass of each galaxy from its brightness and colors. They selected the galaxies in their census from a catalog they compiled of over 100,000 galaxies. The survey galaxies are consistent with computer models, which show that the bulges, and presumably the black holes, of spiral galaxies at early stages were largely built up at the same time as the disks.

"In these observations, we're capturing most of the evolution of the Milky Way," explained team member Joel Leja of Yale University. "These deep surveys allow us to see the smaller galaxies. In previous observations we could only see the most luminous galaxies in the distant past, and now we can look at more normal galaxies. Hubble gives us the shapes and colors of these spirals as well as their distances from Earth. We also can measure the rates at which each part of the galaxies grew. All of this is difficult to do from the ground." Exploring these galaxies back to their infancy will take the infrared eyes of NASA's James Webb Space Telescope, scheduled to launch in 2018.

The Hubble images also reinforce the idea that major mergers between spiral galaxies were not important in building them up. Computer simulations have shown that mergers would have destroyed the disks. Instead, this census reveals that spirals grew through star formation. This galaxy-formation scenario is different from the way massive elliptical galaxies develop.

"These observations show that there are at least two galaxy-formation tracks," van Dokkum said. "Massive ellipticals form a very dense core early in the universe, including a black hole, presumably, and the rest of the galaxy slowly accretes around it, fueled by mergers with other galaxies. But from our survey we find that galaxies like our Milky Way show a different, more uniform path of growing into the majestic spirals we see today."

The team's results appeared on July 10, 2013, in The Astrophysical Journal Letters. A second paper appears in the Nov. 11 online edition of The Astrophysical Journal.

CONTACT

Donna Weaver / Ray Villard
Space Science Telescope Institute, Baltimore, Md.
410-338-4493 / 410-338-4514
dweaver@stsci.edu / villard@stsci.edu

Pieter van Dokkum

Yale University, New Haven, Conn.

203-432-3000
pieter.vandokkum@yale.edu

Shannon Patel
The Observatories of the Carnegie Institution for Science, Pasadena, Calif.
626-304-0292
patel@carnegiescience.edu

 

 

 

 

 

사진1>

Image: Galaxies Similar to the Milky Way

ABOUT THIS IMAGE:

This composite image shows examples of galaxies similar to our Milky Way at various stages of construction over a time span of 11 billion years.

The galaxies are arranged according to time. Those on the left reside nearby; those at far right existed when the cosmos was about 2 billion years old. The bluish glow from young stars dominates the color of the galaxies on the right. The galaxies at left are redder from the glow of older stellar populations.

Astronomers found the distant galaxies in two Hubble Space Telescope surveys: 3D-HST and the Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey, or CANDELS. The observations were made in visible and near-infrared light by Hubble's Wide Field Camera 3 and Advanced Camera for Surveys. The nearby galaxies were taken from the Sloan Digital Sky Survey.

This image traces Milky Way-like galaxies over most of cosmic history, revealing how they evolve over time. Hubble's sharp vision resolved the galaxies' shapes, showing that their bulges and disks grew simultaneously.

Image Type: Astronomical/Annotated

 

Credit: NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale University), S. Patel (Leiden University), and the 3D-HST Team

 

 

사진2>

 Image: Artist's Illustration of the Present and Early Milky Way

ABOUT THIS IMAGE:

What a difference 11 billion years makes, as can be seen in these two comparative views of our Milky Way galaxy. The top view shows how our galaxy looks today; the bottom view, how it appeared in the remote past. This photo illustration is based on a Hubble Space Telescope survey of evolving Milky Way-type galaxies.

[Top View] — The current night sky is dominated by the white glow of myriad middle-aged stars along the lane of the Milky Way. Interstellar "pollution" from thick dust lanes can be seen threading through the long band of stars. They are interspersed with a few pinkish emission nebulae from ongoing star formation. Thousands of stars appear as pinpoints of light throughout the sky.

[Bottom View] — This is an imaginary view of our young Milky Way as it may have appeared 11 billion years ago, as seen from the surface of a hypothetical planet. The night sky looks markedly different than the view today. The Milky Way's disk and central bulge of stars are smaller and dimmer because the galaxy is in an early phase of construction. The heavens are ablaze with a firestorm of new star formation, seen in the pinkish nebulae glowing from stars still wrapped inside their natal cocoons. The handful of stars visible in the night sky are blue and bright because they are young.

The graphic of today's Milky Way was based on an all-sky image from Axel Mellinger and the Finkbeiner all-sky H-alpha survey. The illustration of the early Milky Way was constructed from the all-sky image from Axel Mellinger and Robert Gendler's image of the M33 galaxy.

Image Type: Illustration

Credit: NASA, ESA, and Z. Levay (STScI)