우주의 여명 시대에 충돌을 겪고 있는 갓 태어난 은하들

 

CREDIT: NASA/Hubble; NASA/Spitzer; NAOJ/Subaru

 

사진1> 이 사진은 초기 우주에서 갓 탄생한 밝은 은하 3개가 합쳐져서 형성된 히미코(Himiko)의 구조를 보여주고 있다.
왼쪽 사진은 네모박스로 표시된 히미코를 포함한 하늘의 특정 부분을 촬영한 것으로 다른 원거리 은하들도 함께 담겨 있다.
이 사진은 허블 WFC3로 촬영된 것이다.

우측 상단 사진은 히미코의 확대 사진이다.
이전에는 하나로 알려졌었던 히미코를 구성하는 3개의 어린 은하가 명확하게 구분되고 있다.
이 천체는 극도로 왕성한 에너지 활동을 보이는데 이는 강렬하게 새로운 별들을 만들어내고 있음을 알려주는 증거이기도 하다.

우측 하단의 사진은 동일 천체를 스피처 우주망원경과 하와이 마누아 케아에 있는 쓰바루 망원경으로 촬영한 것이다.
히미코를 감싸고 있는 이온화 수소 가스의 헤일로가 명확하게 보이고 있다.
ALMA 관측 결과는 이곳에 일체의 탄소가 존재하지 않는다는 점을 알려주었다.
이러한 사실은 이 천체가 태초에 생성된 원시 천체이며, 성간 공간에 무거운 원소들을 뿌려낼만큼 충분한 시간을 아직 겪지 못했음을 알려주고 있는 것이다.
 

 

우주의 여명 시대에 충돌을 겪고 있는 갓 태어난 은하들

 

천문학자들이 ALMA( the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)와 허블우주망원경의 관측 능력을 결합하여 130억년 전 우주의 거대한 원시 가스 거품속에 서려있는 3개의 갓 태어난 원시 은하를 발견했다.

 

캘리포니아 기술 연구소의 천문학 교수인 리처드 엘리스(Richard Ellis)의 설명은 다음과 같다.
"이번에 발견된 것은 대단히 희귀한 삼중계 은하입니다.
우주의 나이는 고작 8억년 밖에 되지 않은 상황이기 때문에 이번 발견은 '우주의 여명'으로 알려져 있는, 우주가 별빛에 잠기기 시작한 시기의 은하 형성 초기 단계에 대한 중요한 통찰을 제공해 주고 있습니다.
보다 재미있는 것은 이 은하들이 하나의 거대은하로 통합하고 있는 모습을 보여준다는 것입니다
이 은하는 궁극적으로 우리 은하와 같은 종류의 은하로 진화할 수 있었을 것입니다."

 

과학자들이 처음으로 이 천체를 발견했던 것은 2009년으로 당시 이 천체는 고온의 거대한 거품 모양으로 보였었다.

 

고대 일본의 전설적인 여왕의 이름을 따 '히미코'라는 이름이 지어진 이 천체는 당시의 일반적인 은하보다 거의 10배에 달하는 크기를 가진 은하로서 이는 오늘날 우리 은하의 크기와 맞먹는 크기이다.

 

스피처 우주망원경을 이용한 후속 관측에서는 히미코가 하나의 은하로 통합되었을지도 모른다는 점을 알려주었다.
이는 우주의 초기시대에는 좀처럼 찾아볼 수 없는 거대 질량의 천체였을 것이라는 점을 알려주고 있는 것이다.

 

이번 연구를 수행한, 일본과 미국의 천문학자들로 구성된 국제 연구팀을 이끈 도쿄대학의 협력 교수 마사미 오우치(Masami Ouchi)의 설명은 다음과 같다.
"이번 새로운 관측 결과는 히미코가 하나의 은하라기보다는 세 개의 명백하게 구분되는 밝은 광원으로 형성된 천체라는 점을 알려주고 있습니다.
 이곳에서는 강렬하게 새로운 별들이 탄생하고 있었고 이 별들에 의해 거대 가스구름들이 데워지고 이온화되고 있었죠."

 

이와 같이 왕성하게 별들이 형성되는 지역에서는 반드시 탄소나 규소, 산소와 같은 무거운 원소들이 넘쳐나게 마련이다.

 

이러한 원소들은 폭발을 일으킨 짧은 수명의 무거운 별의 핵에서 만들어지며 이러한 원소들이 이 세 개의 은하에서도 허블우주망원경에 의해 관측되었다. 
무거운 별들은 상대적으로 짧은 삶을 마치고 초신성 폭발로 삶을 마감하면서 성간 공간에 미세한 먼지와 무거운 원소들을 뿌리게 되는 것이다.

 

연구팀의 일원인 도쿄 대학의 코타로 코노(Kotaro Kohno)의 설명은 다음과 같다.
"이 먼지들이 갓 태어난 무거운 별의 자외선 복사에 의해 가열될 때 먼지들은 라디오파에서 재차 복사를 발생시키게 됩니다.
그런데 이 복사가 히미코에서는 관측되지 않았죠."

 

오우치의 이어지는 설명은 다음과 같다.
"놀랍게도 ALMA관측 결과는 어린 별에서 빠르게 합성되는 탄소의 신호가 전혀 존재하지 않는다는 것을 발견했죠.
ALMA의 고감도 능력을 볼 때 이건 정말 의외의 결과였습니다.
어떻게 이처럼 강렬한 사건들이 히미코에서 발견되는 원시 화합물들과 정확하게 조화될 수 있는지는 정말 어려운 수수께끼로 남아 있습니다."
 

천문학자들은 히미코에 존재하는 가스의 거대한 부분이 빅뱅에 의해 생성된 가벼운 수소와 헬륨원소의 원시적 혼합체일 것으로 추정하고 있다.

만약 그것이 사실이라면 이번 관측은 원시 은하가 형성되는 과정을 포착한 기념비적인 발견이라 할 수 있다.

 

엘리스의 총평은 다음과 같다.
"천문학자들은 일반적으로 모종의 천체로부터 발생한 신호를 포착했을 때 매우 흥분하게 됩니다.
그런데 이번 경우는 무거운 원소들의 신호가 완전히 부재하고 있는 상황을 포착한 것임에도 가장 흥분되는 결과가 된 셈이죠."

 

이번 데이터는 ALMA의 전체 66개 안테나 중 일부를 활용한 ALMA의 초창기 과학 프로그램의 일환으로 취득되었다.

 

앞으로 과학자들은 ALMA의 전체 배열망원경과 지상 또는 우주에 위치하는 차세대 망원경들을 이용하여 훨씬 더 먼 과거를 들여다보게 될 것이고
우주 최초 세대의 별들과 은하의 기원 및 진화양상을 연구하게 될것이다.

 

이번 연구 결과는 Astrophysical Journal에 개재될 예정이다.

 

CREDIT: NASA/Hubble

 

사진2> 허블 우주망원경이 바라본 히미코의 사진이다.

이전에는 하나의 천체로 알려졌지만 사진에서 보듯이 세 개의 갓 태어난 은하가 명백히 구분된다.

이 은하들은 하나같이 왕성한 에너지 활동을 보여주는데 이는 이 은하가 강렬하게 새로운 별을 만드는 시기를 보내고 있음을 알려주는 것이다.  

 

 

 

CREDIT: NASA/Hubble; NASA/Spitzer; NAOJ/Subaru

 

사진 3> 이 사진은 허블우주망원경과 스피처 우주망원경, 그리고 쓰바루 망원경의 관측 데이터를 합성한 것이다.
히미코를 감싸고 있는 이온화 수소가스의 헤일로가 선명하게 그 모습을 드러내고 있다.
ALMA 관측 결과는 이곳에 일체의 탄소가 존재하지 않는다는 점을 알려주었다.
이러한 사실은 이 천체가 태초에 생성된 원시 천체이며 성간 공간에 무거운 원소들을 뿌려낼만큼 충분한 시간을 아직 겪지 못했음을 알려주고 있는 것이다.

 

출처 : 국립 전파 천문대(National Radio Austronomy Observatory) Press Release  2013년 11월 21일자
         https://public.nrao.edu/news/pressreleases/infant-galaxies-merge-near-cosmic-dawn

 

참고 : 히미코를 비롯한 각종 원시 은하 등, 은하에 대한 포스팅은 하기 링크 INDEX를 통해 확인할 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>

 

 

Embargoed for release November 21, 2013; 10 a.m. EST

Contact: Charles Blue
(434) 296-0314
cblue@nrao.edu

Infant Galaxies Merging Near ‘Cosmic Dawn’

Astronomers using the combined power of the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) telescope and NASA’s Hubble Space Telescope have discovered a far-flung trio of primitive galaxies nestled inside an enormous blob of primordial gas nearly 13 billion light-years from Earth.

“This exceedingly rare triple system, seen when the Universe was only 800 million years old, provides important insights into the earliest stages of galaxy formation during a period known as ‘Cosmic Dawn,’ when the Universe was first bathed in starlight,” said Richard Ellis, the Steele Professor of Astronomy at the California Institute of Technology and member of the research team. “Even more interesting, these galaxies appear poised to merge into a single massive galaxy, which could eventually evolve into something akin to the Milky Way.”

Researchers first detected this object, which appeared to be a giant bubble of hot, ionized gas, in 2009. Dubbed Himiko (after a legendary queen of ancient Japan), it is nearly 10 times larger than typical galaxies of that era and comparable in size to our own Milky Way. Subsequent observations with the Spitzer Space Telescope suggested that Himiko might represent a single galaxy, which would make it uncharacteristically massive for that period of the early Universe.

“The new observations revealed that, rather than a single galaxy, Himiko harbors three distinct, bright sources, whose intense star formation is heating and ionizing this giant cloud of gas,” said Masami Ouchi, an associate professor at the University of Tokyo who led the international team of astronomers from Japan and the United States.

Areas of such furious star formation should be brimming with heavy elements such as carbon, silicon, and oxygen. These elements are forged in the nuclear furnaces of massive, short-lived stars like those bursting into life inside the three galaxies detected by Hubble. At the end of their relatively brief lives, these stars explode as supernovas, seeding the intergalactic medium with a fine dust of heavy elements.

“When this dust is heated by ultraviolet radiation from massive newborn stars, the dust then re-radiates at radio wavelengths,” remarked Kotaro Kohno, a member of the team also with the University of Tokyo. “Such radiation is not detected in Himiko.”

“Surprisingly, observations with ALMA revealed a complete absence of the signal from carbon, which is rapidly synthesized in young stars. Given the sensitivity of ALMA, this is truly remarkable,” said Ouchi. “Exactly how this intense activity can be reconciled with the primitive chemical composition of Himiko is quite puzzling.”

The astronomers speculate that a large fraction of the gas in Himiko could be primordial, a mixture of the light elements hydrogen and helium, which were created in the Big Bang. If correct, this would be a landmark discovery signaling the detection of a primordial galaxy seen during its formation.

Ellis summed up the situation: “Astronomers are usually excited when a signal from an object is detected. But, in this case, it’s the absence of a signal from heavy elements that is the most exciting result!”

The ALMA data were taken as part of the early science program with only a portion of the array’s eventual full complement of 66 antennas. Future research with the complete ALMA telescope and the next-generation of ground- and space-based observatories will look even further back in time, shedding more light on the origin and evolution of the first stars and galaxies. The results are accepted for publication in the Astrophysical Journal.

ALMA, an international astronomy facility, is a partnership of Europe, North America and East Asia in cooperation with the Republic of Chile. ALMA construction and operations are led on behalf of Europe by ESO, on behalf of North America by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), and on behalf of East Asia by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ). The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA.

The National Radio Astronomy Observatory is a facility of the National Science Foundation, operated under cooperative agreement by Associated Universities, Inc.


Image #1:  This composite image reveals the structure of Himiko, an object representing the merger of three young, bright galaxies as seen in the early Universe. The left panel shows the section of the sky containing Himiko (identified in box) and other distant galaxies, as imaged by Hubble’s Wide Field Camera 3 (WFC3). CREDIT: NASA/Hubble

The image in the upper right is a close-up of Himiko with Hubble. The three infant galaxies are clearly resolved where only one was known to exist before. These objects are extremely energetic, suggesting they are undergoing a period of intense star formation. CREDIT: NASA/Hubble

The image in the lower right is the same object with additional data from the Spitzer Space Telescope and Subaru Telescope on Mauna Kea in Hawaii. The halo of ionized hydrogen gas is clearly seen surrounding Himiko. Observations with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) telescope did not detect any telltale signature from carbon, suggesting that these three objects may be very primitive and have not had enough time to seed the intergalactic medium with heavy elements. CREDIT: NASA/Hubble; NASA/Spitzer; NAOJ/Subaru

Image #2:  Himiko as seen with the Hubble Space Telescope and the Subaru Telescope located on Mauna Kea in Hawaii. The blue halo (Subaru) represents the hydrogen gas that is being ionized by the intense star formation in the trio of galaxies. CREDIT: NASA/Hubble; NAOJ/Subaru

Image #3: Himiko as seen with Hubble. The three infant galaxies are clearly resolved where only one was known to exist before. These objects are extremely energetic, suggesting they are undergoing a period of intense star formation. CREDIT: NASA/Hubble

Image #4: Composite image of Himiko made with Hubble, Spitzer, and Subaru data. The halo of ionized hydrogen gas is clearly seen surrounding Himiko. Observations with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) telescope did not detect any telltale signature from carbon, suggesting that these three objects may be very primitive and have not had enough time to seed the intergalactic medium with heavy elements. CREDIT: NASA/Hubble; NASA/Spitzer; NAOJ/Subaru

Image #5: A section of sky containing many young galaxies, including Himiko, as imaged by Hubble’s Wide Field Camera 3. CREDIT: NASA/Hubble

Video: Caltech Astronomer Richard Ellis describes the discovery and implications of three primitive galaxies nestled inside a halo of ionized gas. CREDIT: NRAO/AUI/NSF IMAGE CREDIT: NASA/Hubble/Spitzer/NAOJ/Subaru