초고밀도의 불꺼진 은하에 대한 수수께끼를 푸는데 일조하다.

 

Credit: NASA, ESA, S. Toft (Niels Bohr Institute), and A. Feild (STScI) Science Credit: NASA, ESA, S. Toft (Niels Bohr Institute), V. Smolcic (University of Zagreb), B. Magnelli (Argelander Institute for Astronomy), A. Karim (Argelander Institute for Astronomy and Durham University), A. Zirm (Niels Bohr Institute), M. Michalowski (University of Edinburgh and Universiteit Gent), P. Capak (California Institute of Technology), K. Sheth (National Radio Astronomy Observatory), K. Schawinski (ETH Zurich), J.-K. Krogager (Niels Bohr Institute and European Southern Observatory), S. Wuyts (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), D. Sanders (University of Hawaii), A. Man (Niels Bohr Institute), D. Lutz (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), J. Staguhn (NASA Goddard Space Flight Center and Johns Hopkins University), S. Berta (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics), H. McCracken (Institut d’Astrophysique de Paris), J. Krpan (University of Zagreb), D. Riechers (Cornell University and California Institute of Technology), and G. Brammer (European Southern Observatory and STScI)

 

그림1> 이것은 우주와 지상에 위치한 망원경의 관측자료로부터 수집된 자료를 바탕으로, 130억년에 걸쳐 거대 질량의 타원은하들이 성장되어 오는 과정을 보여주고 있는 그래픽이다.

이 유형에 속하는 은하들의 성장은 빠른 속도로 이루어지는 별의 생성과 다른 은하들간의 충돌 합병에 의해 가속된다.

 

허블우주망원경이 초고밀도의 불꺼진 은하에 대한 수수께끼를 푸는데 일조하다.

 

천문학자들이 허블 우주망원경과 스피처 우주망원경, 허셜 우주망원경 및 지상에 위치한 여러 망원경들의 기능을 조합하여 최초에 폭발적인 별생성으로부터 시작하여 은하 핵에 고밀도로 별들이 몰려 있던 시대를 거쳐, 궁극적으로는 거대한 고밀도의 타원은하로 변해가는, 우주에서 가장 무거운 은하들이 생성되어온 역사를 일목요연하게 설명해주는 장면을 조합해냈다. 

 

이는 우리 우주가 고작 30억년 또는 현재 우주의 나이인 138억년의 4분의 1이 지난 시점에  어떻게 이미 별들의 형성이 종료된 고밀도 소규모의 타원은하들이 존재할 수 있었는지에 관한 10여년에 걸친 수수께끼를 풀어주었다.

이들 고밀도의 소규모 타원은하들은 사용가능한 가스들을 게걸스럽게 먹어치우며 매우 빠른 속도로 별들을 만들어낸 초기의 먼지 가득한 폭발적 별 생성은하들과 명백하게 관련이 있는 천체들이다.

그리고 이 은하들은 천천히 서로간에 충돌합병되면서, 그리고 별의 생성도 잦아들면서 결국 오늘날의 거대 타원은하로 자라온 것이다.

 

코펜하겐 닐스 보어 연구소 암흑 우주론 센터 수네 토프트(Sune Toft)의 설명은 다음과 같다.
"이번 성과는 초고밀도를 유지하고 있으며 별의 생성이 더 이상 발생하지 않는 은하들에 대해 허블 우주 망원경의 고화질 적외선 촬영능력으로 대표적인 분광 샘플들을 모아 조합해낸 첫 번째 사례입니다.  

우리는 드디어 이들 고밀도 소규모 은하들이 어떻게 형성되었는지, 그리고 언제 형성되었는지를 볼 수 있게 되었습니다.
이번 연구자료는 어떻게 가장 무거운 은하들이 형성되었는지, 그리고 이들이 어떻게 오늘날의 거대한 타원은하로 진화해가는지를 이해하는데 있어서 잃어버린 고리와도 같았죠.
이러한 현상은 수년동안 크나큰 수수께끼였습니다. 왜냐하면 빅뱅이후 고작 30억년이 지났을 뿐인데 우리에게 목격된 대부분의 거대 은하들의 절반은 이미 더 이상 별들을 만들고 있지 않았기 때문이죠."
 

이보다 더 놀라운 것은 이들 거대한 질량을 가지고, 별의 생성이 완전히 종료된 은하들이 한때는 극도의 고밀도 상태를 유지했으며, 오늘날 우리 주변에서 목격되는 타원은하들과 매우 유사한 상태였다는 사실이라고 토프트는 덧붙였다.

이는 이 은하들은 오늘날 우리 눈에 보이는 은하들에 비해 최소 10배에서 100배까지 별들이 빽빽하게 몰려있었음을 의미한다.

 

토프트는 이러한 현상이 구상성단과 비교가능한 정도의 밀도이지만 은하라는 훨씬 거대한 규모의 천체로 존재했다고 설명했다. 

 

거대 질량의 고밀도 은하들의 진화과정을 조합하는 작업이 진행되던 중, 토프트는 먼지에 완전히 차폐되어 있으면서 오늘날 우리 은하가 별을 만들어내는 속도보다 수천배나 빠른 비율로 별을 생성해내던 이들의 선조은하들을 식별해냈다.

이 은하들에서 발생하는 별의 폭발적인 생성은 가스를 풍부하게 가지고 있는 두 개의 은하들이 충돌했을 때 발생하는 폭발적인 별 생성과 같다.

 

이 은하들은 너무나 많은 먼지에 둘러싸여 있어 가시광선으로는 거의 보이지 않는 천체였다.

그러나 이들은 서브밀리미터 파장에서 밝은 빛을 내는데 그 빛이 20여년전 하와이 제임스 클라크 맥스웰 망원경에 장착되어 있는 SCUBA (Submillimeter Common-User Bolometer Array)카메라에 의해 처음으로 식별되었다.

토프트의 연구팀은 허블 COSMOS(Cosmic Evolution Survey) 프로그램에서 확보한 다량의 데이터를 이용하여 두 개 은하의 구성원들에 대한 대표적인 샘플을 처음으로 조합해냈다.

 

이들은 소규모 고밀도를 유지하면서 별의 생성이 더 이상 발생하지 않는 은하의 첫번째 대표적인 샘플들을, 허블 우주망원경의 CANDELS와 3D-HST 프로그램을 통해 측정된 이들의 정확한 크기와 거리(분광학적 적색편이) 측정치를 포함하여 조합자료를 구축하였다.

3D-HST 프로그램은 근적외선 허블 분광기 관측 프로그램으로 머나먼 우주에 존재하는 은하들의 외형을 물리적으로 가공하여 연구하는 프로그램이다.

 

천문학자들은 이 연구자료들에 하와이 쓰바루 망원경과 NASA의 스피처 우주망원경의 관측 자료를 추가하였다.

이 자료들은 초기 우주의 은하들은 10억년에서 20억년 정도 빠른시점에 폭발적으로 별들을 만들어내며 형성되었다는 결론으로부터 별들의 연령을 정확하게 측정할 수 있게 해 주었다.

그리고 나서 연구팀은 가장 멀리 존재하며 서브밀리미터파에서 관측되는 은하들에 대해 허블과 스피처, 허셜 우주망원경으로부터 얻은  COSMOS 데이터와 쓰바루 망원경, 제임스 크라크 멕스웰 망원경과 서브밀리미터 어레이(Submillimeter Array)와 같은 지상에 위치한 망원경의 관측자료들을 이용하여 첫 번째 대표적인 샘플을 만들어냈다.

이 다파장 정보는 가시광선파장으로부터 서브밀리미터 파장까지 펼쳐져 있는데 이로부터 초기 우주에 존재하고 있던 먼지에 둘러싸여 있는 이 은하들의 크기와 별들의 질량, 별의 생성비율과 먼지 내용물들, 그리고 정확한 거리에 관한 일체의 정보체계를 도출해낼 수 있었다. 
 

토프트 팀이 이들 두 개의 은하 구성원들에 대한 샘플을 비교했을 때, 연구원들은 소규모 고밀도의 타원은하와 이보다는 10억년~20억년 더 일찍 존재했던 서브밀리미터파에서 관측되는 은하들간의 연관성을 발견해냈다.

관측 결과는 좀더 이른 시점의 은하에서 왕성한 별 생성 활동을 보여주고 있었는데, 이는 소규모, 고밀도 타원은하의 조상에게서 예측되는 특성과 일치했다.

연구팀은 또한 성간 가스가 고갈되기 전까지 이처럼 왕성한 별의 생성활동이 4천만년동안 지속되었다는 것도 계산해냈다.

* 출처 : 허블사이트 2014년 1월 29일 발표 뉴스
           http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2014/10/
            

참고 : 다양한 은하에 대한 각종 포스팅은 아래 링크를 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>

News Release Number: STScI-2014-10

Hubble Helps Solve Mystery of Ultra-Compact, Burned-Out Galaxies

The full news release story:

Astronomers combining the power of the Hubble Space Telescope, Spitzer and Herschel infrared space telescopes, and ground-based telescopes have assembled a coherent picture of the formation history of the most massive galaxies in the universe, from their initial burst of violent star formation through their appearance as high stellar-density galaxy cores and to their ultimate destiny as giant ellipticals.

This solves a decade-long mystery as to how compact elliptical-shaped galaxies that existed when the universe was only 3 billion years old, or one-quarter of its current age of 13.8 billion years, already had completed star formation. These compact ellipticals have now been definitively linked directly to an earlier population of dusty starburst galaxies that voraciously used up available gas for star formation very quickly. Then they grew slowly through merging as the star formation in them was quenched, and they eventually became giant elliptical galaxies.

"This is the first time anybody has put together a representative spectroscopic sample of ultra-compact, burned-out galaxies with the high quality of infrared imaging of Hubble," said Sune Toft of the Dark Cosmology Center at the Niels Bohr Institute in Copenhagen.

"We at last show how these compact galaxies can form, how it happened, and when it happened," Toft added. "This basically is the missing piece in the understanding of how the most massive galaxies formed, and how they evolved into the giant ellipticals of today. This had been a great mystery for many years because just 3 billion years after the big bang we see that half of the most massive galaxies have already completed their star formation."

Even more surprising, said Toft, is that these massive, burned-out galaxies were once extremely compact, compared to similar elliptical galaxies seen today in the nearby universe. This means that stars had to be crammed together 10 to 100 times more densely than seen in galaxies today. "It's comparable to the densities of stars in globular clusters, but on the larger scale of a galaxy," said Toft.

In tying together an evolutionary sequence for these compact massive galaxies, Toft identified their progenitors as highly dust-obscured galaxies undergoing rapid star formation at rates that are thousands of times faster than in our Milky Way galaxy. Starbursts in these galaxies are likely ignited when two gas-rich galaxies collided. These galaxies are so dusty that they are almost invisible at optical wavelengths, but are bright at submillimeter wavelengths, where they were first identified nearly two decades ago by the SCUBA (Submillimeter Common-User Bolometer Array) camera on the James Clerk Maxwell Telescope in Hawaii.

Toft's team assembled, for the first time, representative samples of the two galaxy populations using the rich dataset in Hubble's COSMOS (Cosmic Evolution Survey) program.

They constructed the first representative sample of compact quiescent galaxies with accurate sizes and distances (spectroscopic redshifts) measured from the Hubble Space Telescope's CANDELS (Cosmic Assembly Near-Infrared Deep Extragalactic Legacy Survey) and 3D-HST programs. 3D-HST is a near-infrared Hubble spectroscopic survey to study the physical processes that shape galaxies in the distant universe. The astronomers combined these data with observations from the Subaru telescope in Hawaii and NASA's Spitzer Space Telescope. This allowed for accurate stellar age estimates, from which they concluded that galaxies formed in intense starbursts 1 billion to 2 billion years earlier, in the very early universe.

The team then made the first representative sample of the most distant submillimeter galaxies using the rich COSMOS data from the Hubble, Spitzer, and Herschel space telescopes, and ground-based telescopes such as Subaru, the James Clerk Maxwell Telescope, and the Submillimeter Array. This multi-spectral information, stretching from optical light through submillimeter wavelengths, yielded a full suite of information about the sizes, stellar masses, star-formation rates, dust content, and precise distances of the dust-enshrouded galaxies present early on in the universe.

When Toft's team compared the samples of these two galaxy populations, they discovered a link between the compact elliptical galaxies and the submillimeter galaxies observed 1 billion to 2 billion years earlier. The observations show that the violent starburst activity in the earlier galaxies had the same characteristics that would have been predicted for progenitors to the compact elliptical galaxies. The team also calculated that the intense starburst activity only lasted about 40 million years before the interstellar gas supply was exhausted.

CONTACT

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

Sune Toft
Dark Cosmology Center, Niels Bohr Institute, Copenhagen, Denmark
011-45-3532-5908
sune@dark-cosmology.dk