대마젤란 성운에서 별의 움직임을 포착하다.

 

Image Credit: NASA, ESA, A. Feild and Z. Levay (STScI), Y. Beletsky (Las Campanas Observatory), and R. van der Marel (STScI),  Science Credit: NASA, ESA, R. van der Marel (STScI), and N. Kallivayalil (University of Virginia)

 

사진 > 이 포토 일러스트레이션은 우리은하와 가장 가까워 육안으로도 볼 수 있는 은하인 대마젤란 성운의 회전에 대한 허블의 측정자료를 보여주고 있다.
대마젤란 성운은 남반구의 밤하늘에서 볼 수 있다.
이 포토일러스트레이션에서는 육안으로는 보이지 않는 대마젤란 성운의 희미한 외곽부를 강조하기 위해, 지상에서 촬영한 사진에 콘트라스트를 강화하여 표현하고 있다.
하늘에서 보이는 대 마젤란 성운의 거대한 크기를 보여주기 위해 사진 우측 하단에는 보름달이 묘사되어 있으며 시점을 표현하기 위해 지평선도 표현되어 있다.

화살표는 이 은하가 어떻게 회전하는지를 보여주기 위해 대마젤란 성운 내의 별들의 움직임에 대한 허블의 고화질 측정치를 나타내고 있다.
각 화살표는 향후 7백만년동안의 움직임에 대한 예측치이다.

허블이 수 년간에 걸쳐 측정한 각 별의 움직임은 실제로는 각 화살표 길이보다 수백만배 작은 수준이다.

대 마젤란 성운이 한 바퀴를 회전하는데는 2억 5천만년이 소요된다.
 

대마젤란 성운에서 별의 움직임을 포착하다.

 

허블 우주망원경의 날카로운 눈을 이용하여 천문학자들이 처음으로 시계와 같이 움직이는 별들의 움직임을 기반으로 한 은하의 회전율을 매우 정교하게 측정해냈다.

이들의 분석에 의하면 대마젤란 성운이라 불리는 우리 이웃은하의 중심부는 2억 5천만년을 주기로 1회 회전하는 것으로 나타났다.
이는 우리 태양이 우리 은하의 중심부를 한 바퀴 도는데 소요되는 시간과 우연히도 일치하는 주기이다.

 

우주망원경 과학 연구소의 롤랜드 반더 마렐(Roeland van der Marel)과 버지니아 대학의 니트야 칼리바야릴(Nitya Kallivayalil)로 구성된 연구팀은
허블 우주망원경을 사용하여 17만 광년 거리의 대마젤란 성운 안에 위치하는 수백여개 별들의 평균적인 움직임을 측정하였다.

허블 우주망원경은 7년에 걸쳐 이 별들에서 나타나는 미미한 움직임을 기록했다.

 

우리 은하나 대마젤란 성운과 같은 원형 디스크 모양의 은하들은 일반적으로 회전목마와 같이 회전한다.

 

허블우주망원경의 정밀한 추적기능은 하늘의 평단면상에서 바라봤을 때, 별의 고유운동을 이용하여 은하의 회전을 결정지을 수 있는 새로운 방법을 제공하고 있다.

 

천문학자들은 오랫동안 주변 천체의 고유운동을 측정해왔다.
그러나 이번 측정은 또다른 원거리 은하의 회전운동을 충분히 볼 수 있는 정밀도를 확보한 최초의 사례이다.

 

지난 수세기동안 천문학자들은 별빛의 스펙트럼에서 미세하게 나타나는, 도플러 현상이라는 편이현상을 통해 은하의 회전율을 계산해왔다.

 

은하의 회전면에 위치한 별들은 지구방향으로 다가오면서는 파란색으로 편이된 분광양상을 보이게 될 것이다.
(이는 관측자를 향해 대상이 다가오면서 빛의 파동이 압축되기 때문이다.)

반면 지구로부터 멀어지고 있는 반대편의 별은 붉은색으로 편이된 분광양상을 보이게 된다.
(이것은 별이 관측자로부터 멀어지면서 보다 붉은 색의 파장 방향으로 별빛이 확장되기 때문이다.)

 

새로운 허블의 고유운동 측정과 이전부터 사용되어온 도플러 측정 방법은 대마젤란 성운의 회전율에 대해 서로 상보적인 정보를 제공해 주고 있다.
이러한 결과를 결합하여 허블 팀은 처음으로 또다른 은하에서 별들의 움직임에 관한 완전한 3차원 정보를 획득하게 되었다.

 

2월 1일, Astrophysical Journal에 게재된 논문의 수석저자인 반 더 마렐(van der Marel)의 설명은 다음과 같다.
"순간순간 앞 뒤로 움직이는 운동을 측정하여 은하의 회전을 결정짓는 것으로는 해당 은하에서 나타나는 항구적인 운동의 변화양상을 파악하지 못합니다.
허블 우주망원경의 수년에 걸친 별의 움직임을 연구한 결과를 이용하여 우리는 처음으로 하늘의 평단면상에 도열한 은하의 회전율을 측정할 수 있었습니다."

 

이번 연구 데이터의 분석을 이끈 칼리바야릴(Kallivayalil)이 덧붙이는 설명은 다음과 같다.
"별의 움직임을 추적하는 방법을 활용한 주변 은하에 대한 연구는 원반형 은하들의 내부 구조를 더 잘 이해할 수 있게 해 줍니다.
은하의 회전율을 알게되면 이로부터 이 은하가 어떻게 형성되었는지를 알 수 있게 되고, 그 은하의 질량을 측정할 수도 있게 된답니다."

 

현재로서는 허블 우주망원경만이 이러한 종류의 관측을 수행할 수 있는 유일한 망원경이다.
이는 허블의 고해상도 능력과 안정적인 촬영능력, 그리고 우주공간에 머물러온 24년의 시간이 가져다준 결과이다.

 

반더 마렐의 설명은 다음과 같다.
"만약 우리가 달에 서 있는 사람을 관측한다면, 허블 우주망원경의 정밀도는 이 사람의 머리카락이 자라는 속도를 측정할 수 있을만한 수준이랍니다.
이러한 정밀도는 매우 중요합니다.

왜냐하면 별들의 움직임을 명확하게 포착하기에는 은하들이 너무나 멀리 떨어져 있어 너무나 미미한 수준으로 나타나기 때문입니다.
당신은 대마젤란 성운을 하늘의 시계로 생각할 수도 있을 겁니다.
이 시계 바늘들은 한 번 도는데 2억 5천만년이 걸리죠.
우리는 시계바늘들이 움직인다는 것을 알고 있지만 허블 우주망원경이라 하더라도 이러한 움직임을 포착하기 위해서는 수년간 이곳을 응시하고 있어야 했답니다."
 
연구팀은 허블 우주망원경의 WFC3와 ACS를 이용하여 대마젤란 성운의 광활한 원반 중 22개 구역의 별들을 관측하였다.
대마젤란 성운은 남반구의 밤하늘에서 보름달 각지름의 20배에 달하는 크기를 차지하고 있는 천체이다.
이렇게 해서 만들어진 사진의 화살표는 허블의 측정자료를 근거로 앞으로 7백만년후까지 예측되는 움직임을 표시한 것이다.

 

 

Credit: NASA, ESA, and G. Bacon, R. van der Marel, A. Feild, L. Frattare, Z. Levay, and F. Summers (STScI),  Acknowlegment: S. Guisard ( http://sguisard.astrosurf.com/ )

각각의 구역은 단순이 대마젤란 성운에 속하는 일련의 별들뿐만 아니라 퀘이사라고 불리는, 멀리 떨어져 있는 활성은하 핵의 블랙홀에 의해 에너지를 공급받아 밝은 빛줄기를 발산하는 천체까지도 배경에 포함할 수 있도록 선택되었다.

천문학자들이 퀘이사를 필요로 했던 이유는 대마젤란 성운의 별들에서 나타나는 극도로 미묘한 움직임을 측정하는데 기준점이 필요했기 때문이다.

 

이번 측정치는 반더 마렐과 함께 대마젤란 성운의 회전율을 더욱 정교하게 측정하고 있는 또 다른 팀의 작업에 있어 그 결정체라 할 수 있다.

 

반더 마렐이 이 은하의 회전을 분석하기 시작한 것은 2002년이며 이 때 그는 이 은하의 회전결과가 어떠할지를 미리 세부적으로 예측하였고, 그 예측이 지금 허블 우주망원경에 의해 확증되었다.

 

반더 마렐의 설명은 다음과 같다.
"대마젤란 성운은 우리 은하와 매우 가까운 거리에 위치하고 있기 때문에 매우 중요한 은하입니다.
우리 은하를 연구하는 것은 대단히 어렵죠. 왜냐하면 우리 눈에 보이는 모든 것이 온 하늘에 걸쳐 펼쳐져 있기 때문입니다.
이들은 모두 거리가 제각각이고 우리는 그 한가운데 앉아 있는 셈이죠.
만약 우리가 바깥쪽에서 가까운 거리에 위치하는 은하를 본다면 그 구조와 회전을 연구하는 것은 훨씬 쉬운일이 될 겁니다."

 

칼리바야릴의 설명이 이어진다.

"대마젤란 성운은 매우 가까이 위치하기 때문에  별의 진화와 집단을 연구하는 척도가 됩니다.
이번 경우에 있어, 은하의 구조를 이해하는 것은 매우 중요한 일이죠.
은하의 회전율을 측정하기 위해 완전한 3차원 구조의 고유운동을 이용하는 우리 기술은 은하의 구조에 대해 서광을 비추는 새로운 방법이라 할 수 있습니다.
이번 작업은 은하에서 별들이 어떻게 움직이는가에 대한 인식의 창을 열어젖힌 의미가 있는 작업입니다."

 

대마젤란 성운은 스스로 자전하는 것과 더불어 동시에 우리 은하 주위를 돌고 있다.
허블 데이터를 이용한 이번 연구팀과 다른 협력자들의 이전 논문은 대마젤란 성운이 우리 은하 주위를 이전에 예측했던것보다 더 빨리 돌고 있다는 것을 보여준 바 있다.

 

이번 연구는 우리 이웃에 위치한 은하들이 과거에 몇번이나 서로 조우를 했을 것인지에 대한 우리의 이해를 수정해 주었다.
연구팀의 다음 계획은 대마젤란 성운의 사촌 은하인 소마젤란 성운에 대해 동일한 기술을 이용하여 별들의 움직임을 측정하는데 있다.
은하들은 상호 영향을 끼치고 있으므로 이 연구는 은하들이 서로간에 어떻게 움직이며, 어떻게 우리 은하 주위를 도는지에 대해 진일보된 통찰을 제공해 줄 수 있을 것이다.

 

* 출처 : 허블사이트 2014년 2월 18일 발표 뉴스
             http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2014/11/full/

 

참고 : 대마젤란 은하를 비롯한 각종 은하 및 은하단에 대한 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-2014-11                February 18, 2014 01:00 PM (EST)

Hubble Watches Stars' Clockwork Motion in Nearby Galaxy

 

The full news release story:

 

Using the sharp-eyed NASA Hubble Space Telescope, astronomers have for the first time precisely measured the rotation rate of a galaxy based on the clock-like movement of its stars.

According to their analysis, the central part of the neighboring galaxy, called the Large Magellanic Cloud (LMC), completes a rotation every 250 million years. Coincidentally, it takes our Sun the same amount of time to complete a rotation around the center of our Milky Way galaxy.

The Hubble team, composed of Roeland van der Marel of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Md., and Nitya Kallivayalil of the University of Virginia in Charlottesville, Va., used Hubble to measure the average motion of hundreds of individual stars in the LMC, located 170,000 light-years away. Hubble recorded the stars' slight movements over a seven-year period.

Disk-shaped galaxies, like the Milky Way and the LMC, generally rotate like a carousel. Hubble's precision tracking offers a new way to determine a galaxy's rotation by the "sideways" proper motion of its stars, as seen in the plane of sky. Astronomers have long measured the sideways motions of nearby celestial objects, but this is the first time that the precision has become sufficient to see another distant galaxy rotate.

For the past century astronomers have calculated galaxy rotation rates by observing a slight shift in the spectrum — called the Doppler effect — of its starlight. on one side of a galaxy's spinning stellar disk, the stars swinging in the direction of Earth will show a spectral blueshift (the compression of light waves due to motion toward the observer). Stars swinging away from Earth on the opposite side of a galaxy will show a spectral redshift (the stretching of light to redder wavelengths due to motion away from the observer).

The newly measured Hubble sideways motions and the Doppler motions measured previously each provide complementary information about the LMC's rotation rate. By combining the results, the Hubble team for the first time obtained a fully three-dimensional view of stellar motions in another galaxy.

"Determining a galaxy's rotation by measuring its instantaneous back and forth motions doesn't allow one to actually see things change over time," said van der Marel, the lead author on a paper in the Feb. 1 issue of the Astrophysical Journal describing and interpreting the results. "By using Hubble to study the stars' motions over several years, we can actually for the first time see a galaxy rotate in the plane of the sky."

Kallivayalil, who led the data analysis, added: "Studying this nearby galaxy by tracking the stars' movements gives us a better understanding of the internal structure of disk galaxies. Knowing a galaxy's rotation rate offers insight into how a galaxy formed, and it can be used to calculate its mass."

Hubble is the only telescope that can make this kind of observation because of its sharp resolution, its image stability, and its 24 years in space. "If we imagine a human on the Moon," van der Marel explained, "Hubble's precision would allow us to determine the speed at which the person's hair grows."

"This precision is crucial, because the apparent stellar motions are so small because of the galaxy's distance," he said. "You can think of the LMC as a clock in the sky, on which the hands take 250 million years to make one revolution. We know the clock's hands move, but even with Hubble we need to stare at them for several years to see any movement."

The research team used Hubble's Wide Field Camera 3 and Advanced Camera for Surveys to observe stars in 22 fields spread across the vast disk of the LMC, which appears in the southern night sky as an object about 20 times the angular diameter of the full moon. Arrows on the accompanying image show the predicted motion over the next 7 million years, based on the Hubble measurements.

Each field was chosen to contain not only dozens of LMC stars, but also a background quasar, a brilliant beacon of light powered by a black hole in the core of a distant active galaxy. The astronomers needed the quasars as fixed background reference points to measure the extremely subtle motion of the LMC stars.

This measurement is the culmination of ongoing work with Hubble by van der Marel and another team to refine the LMC's rotation rate. Van der Marel began analyzing the galaxy's rotation in 2002 by creating detailed predictions, now confirmed by Hubble, of what the rotation should look like.

"The LMC is a very important galaxy because it is very near to our Milky Way," he said. "Studying the Milky Way is very hard because everything you see is spread all over the sky. It's all at different distances, and you're sitting in the middle of it. Studying structure and rotation is much easier if you view a nearby galaxy from the outside."

"Because the LMC is so nearby, it is a benchmark for studies of stellar evolution and populations. For this, it's important to understand the galaxy's structure," Kallivayalil said. "Our technique for measuring the galaxy's rotation rate using fully three-dimensional motions is a new way to shed light on that structure. It opens a new window to our understanding of how stars in galaxies move."

In addition to the LMC's own rotation, it is also moving around the Milky Way as a whole. In earlier science papers, the team and its collaborators used Hubble data to show that the LMC moves faster around the Milky Way than previously believed. This research has revised our understanding of how many times these neighboring galaxies might have met and interacted in the past.

The team next plans to use Hubble to measure the stellar motions in the LMC's diminutive cousin, the Small Magellanic Cloud, using the same technique. The galaxies are interacting, and that study should also yield improved insight into how the galaxies are moving around each other and around the Milky Way.

CONTACT

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

Roeland van der Marel
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Md.
410-338-4931
marel@stsci.edu